Какие физические процессы положены в основу записи и воспроизведения информации на магнитных дисках

Обновлено: 02.07.2024

система записи и воспроизведения информации (См. Запись и воспроизведение информации), в которой запись осуществляется изменением остаточного магнитного состояния носителя или его отдельных частей в соответствии с сигналами записываемой информации; при воспроизведении происходит обратное преобразование и вырабатываются сигналы информации, соответствующие указанным изменениям. М. з. очень распространена. Она применяется для записи звука (Магнитофоны, Диктофоны), изображения и его звукового сопровождения (Видеомагнитофоны), сигналов измерения, управления и вычисления (Точная запись) и так далее.

При М. з. (рис.) электрические сигналы, поступающие на вход канала записи (например, усилителя магнитофона), подвергаются усилению и различным преобразованиям для получения необходимого качества записи. Последним звеном канала является записывающая Магнитная головка. Магнитное поле головки, рассеиваемое над рабочим зазором, пропорционально силе тока в её обмотке. Оно действует на движущийся носитель и, намагничивая его отдельные участки в соответствии с записываемыми сигналами, образует дорожку магнитной записи. Носителем может быть хорошо намагничиваемое и длительно сохраняющее магнитное состояние ферромагнитное тело различной формы: нить (магнитная проволока), лента (Магнитная лента), диск, барабан, лист. Сигналограмма, то есть носитель с нанесённой дорожкой записи, соприкасаясь во время движения с рабочим зазором сердечника воспроизводящей магнитной головки, аналогичной по конструкции записывающей, возбуждает в нём магнитный поток, пропорциональный намагниченности отдельных участков дорожки. Изменения потока вызывают появление (в обмотке головки) эдс, содержащей записанную информацию. В канал воспроизведения, кроме головки, входят устройства для усиления сигналов и их преобразований, обратных преобразованиям в канале записи. Стирание (уничтожение) записи осуществляется размагничиванием или однородным намагничиванием носителя до насыщения. Его производят или в специальных устройствах, где вся запись на носителе может быть стёрта одновременно, или во время записи — стирающей головкой, установленной до записывающей (по движению носителя). При этом через обмотку стирающей головки пропускают определённой силы постоянный или переменный ток. Качество М. з. тем выше, чем больше скорость записи. Для записи электрических колебаний со звуковыми частотами от 30 гц до 16 кгц достаточна скорость движения ленты 9,5 см/сек. В видеомагнитофоне для записи сигналов в диапазоне частот до 10 — 15 Мгц скорость перемещения вращающейся головки относительно ленты повышается почти до 50 м/сек. Для увеличения плотности М. з. на носителе располагается несколько параллельных дорожек записи.

Существует несколько способов М. з., различающихся: направлением намагничивания носителя, видами преобразования сигналов в каналах записи и воспроизведения и иногда подачей в обмотку записывающей головки, кроме тока сигнала, дополнит. постоянного или переменного тока подмагничивания (для достижения почти полной пропорциональности между намагниченностью носителя и силой тока сигнала). Так, например, в магнитофонах подмагничивание носителя при записи осуществляется током с частотой 40 — 200 кгц (высокочастотное подмагничивание). В этом случае процесс записи становится процессом без гистерезисного намагничивания носителя полем записываемых сигналов и устраняются искажения, связанные с кривизной обычной (гистерезисной) характеристики ферромагнетика. Преимущество М. з. заключается в простоте аппаратуры, моментальной готовности записи, практической неизнашиваемости сигналограммы и возможности многоразового использования носителя. К недостаткам М. з. относятся её невидимость, что в некоторых случаях (например, в звуковом кино (См. Звуковое кино)) затрудняет монтаж сигналограммы, искажения информации из-за относительно больших шумов, возникающих от магнитной и механической неоднородности носителя, и Копирэффекта. Копии магнитных сигналограмм изготавливаются либо перезаписью (иногда на повышенной скорости), либо контактным копированием в тепловом пли магнитном поле. Основным направлением развития М. з. является совершенствование носителя с целью повышения плотности записи и увеличения её достоверности.

Схема устройства для магнитной записи и воспроизведения: Л — движущийся носитель; ГЗ — магнитная головка записи; ГВ — магнитная головка воспроизведения; ГС — магнитная головка стирания; ИС — источник электропитания головки стирания; УЗ — усилитель записываемых электрических сигналов; УВ — усилитель воспроизводимых электрических сигналов; К₁, К₂ — соответственно подающая и принимающая (магнитную ленту) катушки; Р₁, Р₂ — ролики, направляющие магнитную ленту Л.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Цифровая магнитная запись, применяемая в компьютерной технике, производится на магниточувствительный (ферромагнитный) материал. К таким материалам относятся некоторые разновидности оксидов железа, никель, кобальт, их сплавы и другие материалы. Магнитное покрытие очень тонкое (до доль микрометров). Причем, чем тоньше покрытие, тем выше качество записи. Покрытие наносится на немагнитную подложку, в качестве которой для магнитных лент и гибких дисков используются различные пластмассы, а для жестких дисков — алюминиевые и стеклокерамические круглые диски. Магнитное покрытие диска имеет доменную структуру, т. е. состоит из множества мельчайших зон, намагниченных определенным образом.

Магнитный домен — это очень маленькая однородно намагниченная область, отделенная от соседних областей тонкими переходными слоями (доменными границами).

При протекании тока в сердечнике головки возникает магнитный поток. Под воздействием этого внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с направлением магнитных силовых линий. После прекращения воздействия внешнего поля на поверхности домена образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом на диске сохраняется информация о действовавшем магнитном поле в виде наличия или отсутствия напряжения в бинарной форме. Изменение направления тока, которым производится запись, вызывает соответствующее изменение направления магнитного потока в сердечнике головки, что приводит к появлению на поверхности носителя участков с противоположной ориентацией магнитных диполей (из менение полярности тока приводит к изменению полярности диполей).

При считывании зоны остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу (э.д. с .). Изменение направления э.д. с . в течение некоторого промежутка времени отождествляется с двоичной единицей, а отсутствие этого изменения — с нулем. Происходит ли смена направления магнитного потока от положительного к отрицательному или обратно — это не принципиально, имеет значение только сам факт его изменения. Напряженность магнитного поля, необходимая для перемагничивания магнитного материала, называется коэрцитивной силой. Чем больше коэрцитивная сила, тем более сильное магнитное поле требуется для перемагничивания материала, поэтому магнитные поверхности стремятся сделать максимально тонкими.

Для записи информации на магнитную поверхность лент и дисков применяется один и тот же способ. Поверхность рассматривается как последовательность точечных позиций ( dot positions ), каждая из которых ассоциируется с битом информации. Поскольку расположение этих позиций определяется неточно, для записи требуются заранее нанесенные метки, которые помогают находить необходимые позиции записи. Чтобы нанести такие синхронизирующие метки, диски должны быть предварительно отформатированы (т. е. должно быть произведено логическое разбиение диска на дорожки и секторы). Таким образом, можно сделать вывод, что в каждом секторе находится четыре тысячи доменов.

Последовательность доменов с определенным порядком записанных в них синхронизующих и служебных битов, а также битов данных представляет собой кодирование данных.

Как правило, улучшение характеристик и увеличение популярности того или иного носителя в 60% случаев вызывается совершенствованием методов кодирования информации.

Рассмотрим четыре самых распространенных метода, которые использовались для записи информации на магнитные диски , для того чтобы оценить их достоинства и недостатки.

Метод FM

В первых моделях накопителей на гибких магнитных дисках диаметром 133 мм (5,25”) информация записывалась только на одной стороне диска. Использование при записи частотно-модулированных FM ( Frequency Modulation ) сигналов ограничивало общий объем диска (110 Кбайт).

Кодирование с применением F М-сигналов принято называть кодированием с единичной плотностью. При записи с использованием этого метода в начале битовых элементов записываются биты синхронизации, а после них — биты данных. Битовый элемент определяется как минимальный интервал времени (такт) между битами данных. В данном случае каждый битовый элемент (такт) имеет длительность 8 мкс; бит данных записывается в середине битового элемента, через 4 мкс после начала бита синхронизации. Длительность битового элемента, определяемая частотой следования синхроимпульсов, постоянна, что упрощает кодирование и декодирование. Наличие бит синхронизации является главным недостатком метода FM — почти половина полезной емкости диска расходуется на запись служебной информации. Это метод кодирования с возвратом к нулю.

В 1977 г., благодаря ряду улучшений FM -метода, объем информации, записываемой на диск 5,25", возрос до 500 Кбайт. Этот метод кодирования в HDD не использовался.

Методы MFM и М 2 FМ

Самые распространенные в прошлом десятилетии методы кодирования известны как модифицированная частотная модуляция MFM и миллеровской модифицированной частотной модуляции М 2 F М . После внедрения двусторонней записи на магнитные диски по методу MFM или М 2 F М оказалось возможным хранить на одном диске более 1 Мбайт данных. По этой причине, диски, записанные по этим методам называют дисками двойной плотности. Эти методы несовместимы, но очень похожи по своей сути.

Оба выше обозначенных метода кодирования подразумевают один и тот же метод записи — без возвращения к нулю с инверсией NRZ ( No Return to Zero ). Запись по методу NRZ осуществляется путем изменения направления тока в обмотке магнитной головки на противоположную. Методы кодирования сами по себе не влияют на изменения направления тока, а лишь задают их очередность.

Метод MFM позволяет вдвое увеличить продольную плотность записи. Длительность битового элемента сокращается до 4 мкс, а биты синхронизации записываются только в начало ячеек с нулевым битом данных, и лишь в том случае, если в предшествующем и текущем битовых элементах не были записаны биты данных. Единица в любой последовательности вызывает смену полярности.

Метод М 2 FM еще более снизил число изменений направления тока — в случае длинной последовательности нулей происходит всего одна смена направления тока на каждые два битовых элемента. Но такое уменьшение числа импульсов затрудняет осуществление синхронизации и не приводит к значительному увеличению емкости диска или скорости передачи данных, поэтому метод М 2 FM в настоящее время не используется.

Метод RLL

Данный метод использует принципы MFM , но кодирует не отдельные биты, а целые группы по определенному закону, где каждая комбинация, в зависимости от ее месторасположения, дает 2 битовых элемента. В результате создаются целые последовательности зон смены знака.

При использовании метода RLL скорость передачи данных возрастает с 250 до 380 Кбайт/с, а длительность битового элемента уменьшается до 2,6 мкс. Кодированные этим способом данные могут записываться с большей продольной плотностью, чем при других методах кодирования.

Существует много вариантов RLL , основные из которых 1.7; 2.7; 3.9. Самым популярным является RLL 2,7, обеспечивающим высокую плотность (в 1,5 раза больше, чем MFM ) и среднюю надежность. Цифры в обозначении кода соответствуют максимальной и минимальной длине последовательности нулей (ячеек перехода), содержащихся в кодовом слове между соседними зонами смены знака. Соответственно, FM и MFM можно назвать частными случаями RLL и обозначить как 0,1 и 1,3. Например, последний означает, что между двумя зонами смены знака может располагаться от 1 до 3 ячеек перехода знака.

Дальнейшим развитием метода кодирования RLL является метод ARLL ( RLL 3.9), заключающийся в том, что наряду с логическим уплотнением данных производится увеличение скорости обмена данными между накопителями и контроллером.

При изменении направления намагниченности и повышении температуры домен может поменять направленность магнитного момента. Уменьшение размеров частицы в 2 раза уменьшает энергетический барьер, который необходимо преодолеть для смены направления, и она становится менее стабильной.

Период стабильности может измениться со 100 лет (стабильная частица) до 100 нс (не постоянный магнит). В последнем случае мы получим хаотически расположенные намагниченных частицы, произвольно меняющих свою направленность. Это явление называется.

суперпарамагнетизмом

В реальности всё сложнее. При традиционном методе параллельной записи на диск магнитные частицы располагаются магнитными моментами параллельно плоскости диска. Постоянные магниты, расположенные одинаковыми полюсами друг к другу, отталкиваются, а разными – притягиваются. Между ними происходит энергетическое взаимодействие. У границ возникает поле рассеяния, забирающее энергию у магнитных полей обеих частиц. В результате крайние домены частицы теряют часть заряда и становятся менее стабильными

История накопителей на базе жестких дисков началась в 1952 году

поиск альтернативы чрезвычайно медленным перфокартам и магнитным

лентам, требовались высокоемкие накопители информации с произвольным

доступом. IBM 350 Disk 1955г. 24”, 5Mb, 1200об/мин, 2кбит/дюйм2

Современный рекорд WD – 520Гбит/ дюйм2 , 15000об/мин

Технология параллельной записи на магнитные диски

Перпендикулярная запись: забытое старое (в 1976г. Iwasaki)

Метод перпендикулярной записи на магнитный носитель был применен в конце 19 века датским ученым Поульсеном для магнитной записи звука

При перпендикулярной записи магнитные частицы располагаются под углом 90° к плоскости магнитного диска. Поэтому домены, хранящие разные значения, не отталкиваются друг от друга, так как намагниченные частицы повернуты друг к другу разными полюсами.

Процесс перпендикулярной записи на диск

При перпендикулярной записи используется сложный состав магнитного слоя. Под тонким защитным слоем расположен записывающий слой состоящий из окисленного сплава кобальта, платины и хрома. Подложка состоит из двух слоев сложного химического состава, называемых антиферромагнитносвязанными слоями. Именно они позволяют снять внутренние напряженности магнитного поля

Устройство ввода информации - мышь. Принципы функционирования.

Мышь воспринимает своё перемещение в рабочей плоскости (обычно — на участке поверхности стола) и передаёт эту информацию компьютеру. Программа, работающая на компьютере, в ответ на перемещение мыши производит на экране действие, отвечающее направлению и расстоянию этого перемещения.

Первую компьютерную мышь создал сотрудник лаборатории Xerox.

Типы мышей (по принципам функционирования):

Прямой привод Изначальная конструкция датчика перемещения мыши, изобретённой Дугласом Энгельбартом в Стенфордском исследовательском институте в 1963 году, состояла из двух перпендикулярных колес, выступающих из корпуса устройства. При перемещении мыши колеса крутились каждое в своем измерении.

Шаровой привод В шаровом приводе движение мыши передается на выступающий из корпуса гуммированный стальной. Два прижатых к шарику ролика снимают его движения по каждому из измерений и передают их на датчики, преобразующие эти движения в электрические сигналы.

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры.

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между.

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор.

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все.

№ слайда 1

Магнитный принцип записи/считывания информации

№ слайда 2

Магнитный принцип записи и считывания информации Для долговременного хранения информации, её накопления и передачи из поколения в поколение используются материальные носители информации. Материальная природа носителей информации может быть различной: молекулы ДНК, которые хранят генетическую информацию; бумага, на которой хранятся тексты и изображения; магнитная лента, на которой хранится звуковая информация; фото- и киноплёнки, на которых хранится графическая информация; микросхемы памяти, магнитные и лазерные диски, на которых хранятся программы и данные в компьютере и т.д.

№ слайда 3

Запись/считывание информации В процессе записи информации на гибкие и жёсткие магнитные диски головка дисковода с сердечником из магнитомягкого материала (малая остаточная намагниченность) перемещается вдоль магнитного слоя магнитожёсткого носителя (большая остаточная намагниченность). В процессе записи информации на магнитную головку поступают последовательности электрических импульсов (последовательности логических единиц и нулей), которые создают в головке магнитное поле. В результате последовательно намагничиваются (логическая единица) или не намагничиваются (логический нуль) элементы поверхности носителя. При считывании информации, наоборот, намагниченные участки носителя вызывают в магнитной головке импульсы тока (явление электромагнитной индукции). Последовательности таких импульсов передаются по магистрали в оперативную память компьютера.

№ слайда 4

№ слайда 5

Характеристики Ёмкость— количество данных, которые могут храниться накопителем. Ёмкость современных устройств достигает 2000 Гб. Физический размер (форм-фактор) (англ. dimension) — почти все современные (2002—2008 гг.) накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер либо 3,5, либо 2,5 дюйма. Время произвольного доступа (англ. random access time) — время, за которое винчестер гарантированно выполнит операцию чтения или записи на любом участке магнитного диска. Скорость вращения шпинделя (англ. spindle speed) — количество оборотов шпинделя в минуту. Надёжность (англ. reliability) — определяется как среднее время наработки на отказ. Количество операций ввода-вывода в секунду — у современных дисков это около 50 оп./сек при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

№ слайда 6

Характеристики Потребление энергии — важный фактор для мобильных устройств. Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе. Сопротивляемость ударам (англ. G-shock rating) — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии. Скорость передачи данных (англ. Transfer Rate): Внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с Внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с Объём буфера: Буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу.

№ слайда 7

Жёсткий диск состоит из следующих основных узлов: корпус из прочного сплава, собственно жесткие диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя и блок электроники. Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных, как правило неодимовых, постоянных магнитов и катушки на подвижном блоке головок. Вопреки расхожему мнению, жесткие диски не герметичны. Внутренняя полость жесткого диска сообщается с атмосферой через фильтр, способный задерживать очень мелкие (несколько мкм) частицы. Это необходимо для поддержания постоянного давления внутри диска при колебаниях температуры корпуса.

№ слайда 8

Принцип работы: Принцип работы жестких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.

№ слайда 9

Пластиковые дискеты Первые дискеты представляли собой гибкие пластиковые диски диаметром 8 дюймов, покрытые оксидом железа и помещенные в защитную оболочку, к которой с внутренней стороны была приклеена специальная ткань, очищающая поверхность диска при его вращении. Эти давно устаревшие диски были выпущены корпорацией IBM в 1971 году специально для компьютеров с операционной системой System 370. Действительно, цветные квадраты из пластика со стороной 3,5 дюйма (а именно так выглядит большинство современных гибких дисков) на первый взгляд не имеют ничего общего со своим названием, однако следует помнить, что термин этот обозначает предмет, который выпускался много лет назад, а теперь давно уже скрыт от глаз и помещен в пластиковый корпус. Первые дискеты были в виде гибких пластиковых дисков диаметром 8 дюймов

№ слайда 10

По мере того как компьютеры становились все более компактными, то же самое происходило и с дисками. Дискета диаметром 5,25 дюйма появилась в 1976 году. Говорят, что ее размеры соответствуют размерам салфеток для коктейля, которыми пользовались разработчики, обсуждавшие детали нового проекта в одном из бостонских баров. Сегодня же наиболее популярными являются дискеты диаметром 3,5 дюйма, выпущенные корпорацией Sony в 1981 году. Несмотря на то что они уже практически не применяются для переноса файлов с одного компьютера на другой, большинство машин по-прежнему оснащено отсеками для размещения этих небольших накопителей. В результате некоторые мудрые (или, наоборот, сумасшедшие) пользователи до сих пор продолжают копировать на дискеты содержимое своих жестких дисков.

№ слайда 11

Гибкие магнитные диски Гибкий диск (англ. floppy disk), или дискета, — носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения.

№ слайда 12

Логическое устройство Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов.

№ слайда 13

Принцип работы Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy-disk drive), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 мин-1. В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

Читайте также: