Принцип работы магнитных ЗУ

Запись и считывание данных происходят в процессе взаимодействия магнитной головки и движущегося относительно нее носителя. Для рассмотрения принципа и особенностей работы магнитных ЗУ в основных режимах воспользуемся рис. 11.2−11.4.

Режим записи. В этом режиме обмотка магнитной головки подключена к источнику тока (рис. 11.3). При протекании по обмотке тока записи i3 = I в магнитопроводе создаются напряженность магнитного поля Н и магнитный поток Ф = В/S, где В — индукция, S — площадь сечения магнитопровода. На рис. 11.3 поток Ф представлен в виде замкнутой силовой линии, охватывающей магнитное покрытие носителя. Напряженность поля в магнитном покрытии уменьшается от Нт до Н? с увеличением зазора 8 между магнитопроводом и покрытием. Для записи данных необходимо, чтобы Н? превышала коэрцитивную силу Нс материала покрытия (рис. 11.2,6). В этом случае при отключении тока записи в покрытии носителя останется намагниченный участок, который будем представлять в виде замкнутых силовых линий внутреннего и внешнего магнитного потока Фс и называть следом. Обычно для записи двоичных данных используют два различных состояния насыщения материача носителя — +Вr и — Вr. Поэтому при регистрации 1 и О следы Фс имеют противоположную ориентацию (рис. 11.3), задаваемую направлением тока записи i3 в обмотке магнитной головки. Участок магнитного покрытия носителя, в пределах которого индукция изменяется от +Вr до -Вr или от -Вr до +Вr называется отпечатком. Отпечаток примыкает к границам двух соседних следов и фиксирует переход от одного направления намагниченности к противоположному.

Один из возможных способов магнитной записи проиллюстрирован на рис. 11.5. С помощью синхроимпульсов СИ:

• • процесс записи разбивается на отдельные тактовые интервалы с постоянной длительностью Т. Каждый тактовый интервал отводится для записи одного разряда (бита) кода данных. Здесь в качестве примера используется 8-разрядный код 11 000 101;
• • формируется напряжение икд кода данных. При этом логическая 1 кодируется значением напряжения икд > 0, логический 0 — значением икд < 0. Напряжение кода данных используется для создания тока записи /3 в обмотке w магнитной головки (рис. 11.6, а).

Как видно из рис. 11.5, изменение направления тока записи /3 происходит только в тех случаях, когда два соседних разряда кода имеют разные значения: 10 или 01. В процессе записи со скоростью перемещения носителя v по длине l = v-t магнитного покрытия носителя образуются следы. При i3 > 0 магнитный поток Фс следа направлен по часовой стрелке, при i3 < 0 — против часовой стрелки. Отпечатки создаются во время изменения направления тока записи i3.

Режим хранения. После выключения тока записи (i3 = 0) магнитное ЗУ переходит в режим, при котором в носителе информации сохраняется структура магнитного поля.

Режим считывания. В этом режиме обмотка магнитопровода подключена к узлам обработки напряжения считывания ис. При движении магнитного носителя в магнитопроводе возникает магнитный поток Ф (рис. 11.3). Во время прохождения отпечатков вблизи зазора, А магнитолровода происходит изменение магнитного потока Ф, в результате чего на обмотке возникают разнополярные импульсы напряжения считывания ис =kxd?Ф/dt (рис. 11.5), где к — коэффициент пропорциональности. При этом положительные импульсы регистрируют переход кодовой последовательности из 0 в 1, отрицательные импульсы — из 1 в 0. Следовательно, рассматриваемый способ записи кодовой последовательности единичных или нулевых бит формирует в носителе всего лишь один след, не оставляя отпечатков между двумя соседними единицами и нулями. Это обстоятельство приводит к «потере» единиц и.

Рис. 11.5. Временные диаграммы магнитной записи, считывания и обработки данных нулей. В приведенном на рис. 11.5 примере для 8-разрядного кода 11 000 101 зарегистрировано 5 импульсов напряжения uс, т. е. пропущены выделенные биты 1 и 00 кода. Для получения исходной кодовой последовательности необходимо определить количество пропущенных единиц и нулей между двумя соседними импульсами считывания.

Обработка результатов считывания. Цель обработки — получить исходную кодовую последовательность.

Прежде всего необходимо восстановить тактовые интервалы, отведенные для воспроизведения одного разряда кода данных (11 000 101…), или синхроимпульсы. Отметим, что тактовый интервал носителя определяется расстоянием между двумя соседними отпечатками. Он имеет различную длину, зависящую от количества последовательно расположенных единиц или нулей кода.

Для восстановления тактовых интервалов можно использовать:

• • автономный генератор синхроимпульсов (ГСИ), период следования которых должен быть согласован со скоростью носителя и плотностью записи данных. Непостоянство скорости перемещения носителя может привести к рассогласованию тактовых интервалов генератора и магнитного носителя. Для устранения этого недостатка следует организовать, как показано на рис. 11.5, повторный запуск генератора срезом каждого единичного импульса напряжения считывания ис;
• • служебные дорожки носителя, на которые при записи наносится отпечаток для регистрации каждого такта. При воспроизведении отпечатки считываются отдельной магнитной головкой;
• • способ записи, позволяющий сформировать синхроимпульсы из сигнала считывания ис. Такую особенность способа записи называют самосинхронизацией. Рассматриваемый в качестве примера способ записи не обладает самосинхронизацией, так как не позволяет определить тактовый интервал для одного бита кодовой последовательности.

Рис. 11.6. Формирование тока записи в обмотке магнитной головки (а) и выходного напряжения при считывании (б).

Полученный при считывании сигнал ис не соответствует исходной кодовой последовательности и требует дополнительных преобразований, реализация которых проиллюстрирована на рис. 11.6,6. Если для рассматриваемого примера над сигналом считывания ис выполнить операцию взятия по модулю |ис|, которая может быть реализована по схеме двухтактного выпрямителя, а затем подать сигнал |ис| на вход счетного Т-триггера (Т), то на его выходе получим последовательность импульсов ит, удовлетворяющих потенциальному способу кодирования. Выполнив операцию логического умножения выходного сигнала счетчика на синхроимпульсы ГСИ, получим выходное напряжение , которое соответствует импульсному способу кодирования (рис. 11.6, 6).

О способах магнитной записи. Под способом магнитной записи будем понимать алгоритм переключений тока записи в магнитной головке (кодирование данных), приводящих к созданию отпечатков на магнитном носителе. Отпечатки позволяют при считывании восстановить код исходных данных, хранящихся на носителе. При этом особое значение имеет синхронизация процессов, обеспечивающая точное определение моментов смены знака при записи/чтении данных. Отсутствие синхронизации может привести к ошибкам или к полной потере информации при считывании. Возможны два подхода крещению вопроса синхронизации:

• • синхронизировать работу передатчика и приемника информации, используя для этого отдельный канал;
• • объединить импульсы синхронизации с полезной информацией (данными) и передавать их по одному каналу.

Все известные способы записи реализуют второй подход, так как при передаче по одному каналу импульсов синхронизации и сигналов данных осуществляется их взаимная привязка по времени.

Основные классификационные признаки способов записи.

По числу состояний ферромагнитного материала носителя информации, используемых для регистрации и хранения данных, различают:

• • способы записи с тремя состояниями, или с возвращением к нулю, в которых для регистрации данных используются три значения индукции: +Br, 0 и — Br. Эти способы требуют выполнения трудоемкой операции размагничивания материала (возвращения к нулю) перед каждым сеансом записи и в настоящее время не применяются;
• • способы записи с двумя состояниями, или без возвращения к нулю, в которых для регистрации данных используются два значения индукции: + Br и — Br.

По ориентации магнитного потока (доменов) в магнитном покрытии носителя следует выделить два способа записи [11]:

• • горизонтальную запись, при которой внутренние магнитные потоки следов Фс направлены вдоль магнитного покрытия носителя (рис. 11.3);
• • вертикальную запись, при которой магнитные потоки ориентированы перпендикулярно магнитному покрытию носителя. Несмотря на более высокие показатели плотности записи, вертикальная запись получила меньшее распространение из-за сложной конфигурации магнитопровода.

По принципу взаимодействия магнитной головки и носителя существуют два способа записи:

• • контактная запись, при которой отсутствует зазор (8 = 0) между магнитной головкой и носителем (рис. 11.3). При использовании контактной записи достигается наибольшая плотность размещения данных на носителе, однако из-за износа ограничивается скорость его движения относительно магнитной головки, что приводит к уменьшению времени выборки и скорости передачи данных. Этот способ применяется в накопителях на гибких магнитных дисках;
• • бесконтактная запись (8 > 0), при которой значительно увеличивается скорость движения носителя. Для уменьшения зазора используются плавающие головки, которые удерживаются на некотором расстоянии от поверхности носителя потоком воздуха, создаваемым при движении носителя. Способ бесконтактной записи применяется в накопителях на жестких магнитных дисках.

По виду исходных данных способы записи разделяют на две группы:

• • способы непосредственной записи исходной кодовой последовательности данных;
• • способы записи с групповым кодированием. Сущность этих способов состоит в том, что исходная кодовая последовательность данных разбивается на группы по нескольку бит в каждой. Каждая группа кодируется по определенным правилам. Широкое распространение получила схема кодирования RLL (Run Length Limited) с ограничением длины поля записи. Эти способы используются для уменьшения количества непрерывной последовательности нулей (единиц) в исходном коде.

По алгоритму переключений тока записи различают способы записи с переключением по единицам, с частотной модуляцией, с модифицированной частотной модуляцией, с фазовой модуляцией и с модифицированной фазовой модуляцией, а также кодирование с ограничением длины поля записи (RLL), которые рассмотрены в учебном пособии автора 1111.