Магнитные запоминающие устройства

Принципы построения и действия магнитных ЗУ

О способностях ферромагнетиков хранить информацию. В любом материале при движении электронов вокруг ядра атома и одновременном вращении вокруг своей оси возникает внутримолекулярное магнитное поле. В материале существуют области, называемые доменами, в которых внутримолекулярное магнитное поле действует в одном направлении. Размеры домена составляют сотые доли миллиметра, а результирующий магнитный момент в 10... 15 раз превышает магнитный момент одного атома. Между доменами располагаются переходные слои, называемые доменными стенками, в которых внутримолекулярное магнитное поле действует в разных направлениях. Таким образом, в любом материале имеется неоднородность намагниченности. В исходном состоянии, когда отсутствует внешнее магнитное поле, материал имеет нулевую намагниченность, так как домены ориентированы в разных направлениях (рис. 11.1,я). При воздействии внешнего магнитного поля И все домены ориентируются в одном направлении, благодаря чему в материале создается внутреннее магнитное поле (рис. 11.1,6). Для хранения двоичных данных используются ферромагнетики, к которым относятся железо, никель, кобальт и их сплавы. В отличие от немагнитных материалов ферромагнетики сохраняют ориентацию доменов (внутреннее магнитное поле) при снятии внешнего поля. Ферромагнетики обладают свойством намагничиваться в слабых полях. Создаваемая при намагничивании напряженность внутреннего магнитного поля может превышать напряженность внешнего поля в КР...10⁶ раз.

Рис. 11.1. Ориентация доменов при отсутствии (а) и при наличии (б) магнитного поля

О способностях ферромагнетиков хранить данные можно судить по кривой намагничивания, представляющей собой зависимость индукции b ферромагнитного материала от напряженности И намагничивающего поля.

При циклическом перемагничивании кривая намагничивания имеет форму замкнутой, гистерезисной петли (рис. 11.2,а). По гистерезисной петле определяются следующие параметры:

=> индукция насыщения ±B_S, соответствующая напряженности магнитного поля И > |±//J, при которой индукция b ферромагнетика достигает максимального значения и остается неизменной;

=> остаточная индукция ±В_п соответствующая напряженности магнитного поля И — 0. Значение |±В > 0 при отсутствии внешнего магнитного поля свидетельствует о способности ферромагнетика сохранять два возможных состояния, b = —В_г и b = +В_Г с помощью которых можно кодировать логические уровни 0 и 1 данных в цифровой технике. Чем больше значение В_п тем надежней распознавание логических уровней;

=> коэрцитивная сила ±И_С, при которой в процессе размагничивания индукция b становится равной 0. Чем больше Н_с, тем меньше вероятность стирания хранимых ферромагнетиком данных при воздействии внешних паразитных полей;

=> мощность потерь P_h на гистерезис, отражающая работу на перемаг- ничивание материала. Мощность потерь прямо пропорциональна площади петли гистерезиса.

Для хранения данных используются магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (рис. 11.2,6), для которых остаточная индукция достигает максимальной величины B_r~ B_s, а максимальная напряженность магнитного поля |/?|_макс переключения логических уровней несколько превышает значение коэрцитивной силы Н_с~ Н_у

Состав и принципы построения магнитного ЗУ. В магнитное ЗУ входят две основные части (рис. 11.3):

Рис. 11.3. Магнитное запоминающее устройство

Рис. 11.2. Формы гистерезисной петли магнитного материала

=> магнитный носитель информации, выполняющий функции хранения информации. Носитель информации представляет собой подложку, на которую нанесено магнитное покрытие.

В качестве подложки используются лавсан, ацетилцеллюлоза и другие немагнитные материалы. Толщина подложки составляет десятки микрометров.

Значение коэрцитивной силы И_с материала магнитного покрытия выбирается из компромиссных соображений. С точки зрения энергетических затрат на пере- магничивание ферромагнетика при записи информации материал должен иметь малое значение Я_с, а для защиты информации от возможного стирания при воздействующих внешних магнитных полях необходимо выбирать материал с большим значением #_с. Как показано выше, большее значение остаточной индукции В_г способствует более надежному распознаванию логических уровней хранимой информации. Поэтому поверхность носителя выполняется из магнитотвердого материала со сравнительно большими значениями коэрцитивной силы Н_с — 12 000...80 000 А/м и остаточной индукции В_г= 0,2...0,6 Тл. В качестве магнитного покрытия используется ферролак, состоящий из порошка окисла железа и немагнитных связок, или металлические сплавы на основе никеля, кобальта, вольфрама. Ферролак толщиной 5...20 мкм наносится на подложку путем распыления, металлическое покрытие толщиной 0,01...1 мкм — гальваническим способом;

=> магнитная головка, выполняющая функции записи информации на магнитный носитель и/или считывания с него. Магнитная головка представляет собой магнитопровод с зазором, на котором размещена обмотка. При записи через обмотку пропускают ток записи /₃, при считывании с обмотки снимается напряжение считывания и_с. В магнитопроводе используется магнитомягкий материал (железоникелевые сплавы), обладающий:

=> малой коэрцитивной силой Н_с, чтобы уменьшить влияние магнитных полей, создаваемых магнитопроводом при отсутствии тока в обмотке, на магнитный носитель информации;

=> большой остаточной индукцией Д,, чтобы повысить чувствительность магнитной головки при считывании данных.

Для снижения потерь на вихревые токи, возникающие при протекании тока записи по обмотке, магнитопровод изготавливается из холоднокатаных лент или изолированных пластин толщиной менее 0,2 мм.

Зазор магнитопровода заполняется прокладкой из сплавов, обладающих высоким магнитным сопротивлением. Его ширина А определяет плотность записи данных на носитель и составляет доли микрометров.

Магнитная головка располагается у поверхности магнитного носителя с небольшим зазором 5 (рис. 11.3) при бесконтактной записи или без зазора при контактной записи. В последнем случае участки магнитопровода, примыкающие к поверхности магнитного носителя, и магнитное покрытие носителя должны обладать повышенной износоустойчивостью и малой шероховатостью.

Кроме магнитного накопителя (МН), магнитных головок записи (МГЗ) и считывания (МГС) магнитное запоминающее устройство содержит:

=> блок кодирования (БК) для получения требуемой для записи кодовой последовательности. При записи с самосинхронизацией кодовая последовательность помимо данных содержит информацию о синхроимпульсах (СИ). При использовании способов группового кодирования, о чем будет сказано ниже, осуществляется перекодировка исходной кодовой последовательности;

=> усилитель записи (УЗ) для повышения уровня тока записи до величины, обеспечивающей насыщение магнитного материала носителя; => усилитель считывания (УС) для повышения уровня напряжения считываемых данных;

=> блок обработки (БО) для получения исходного кода данных и синхроимпульсов СИ.

Перечисленные аппаратные средства образуют канал записи/счи- тывания, схема которого приведена на рис. 11.4.

Рис. 11.4. Канал записи/считывания

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 /₃ = / в магнитопроводе создаются напряженность магнитного поля Ни 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 Н_т до #₈ с увеличением зазора 5 между магнитопроводом и покрытием. Для записи данных необходимо, чтобы превышала коэрцитивную силу Н_с материала покрытия (рис. 11.2,б). 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 Ф_с и называть следом. Обычно для записи двоичных данных используют два различных состояния насыщения материала носителя — +В_Г и — В_г. Поэтому при регистрации 1 и О следы Ф_с имеют противоположную ориентацию (рис. 11.3), задаваемую направлением тока записи /₃ в обмотке магнитной головки. Участок магнитного покрытия носителя, в пределах которого индукция изменяется от + В_г до —В,, или от — В_г до +В_Г 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 11000101;

=> формируется напряжение кода данных. При этом логическая 1 кодируется значением напряжения и^ > 0, логический 0 — значением Дад < 0. Напряжение кода данных используется для создания тока записи /₃ в обмотке w магнитной головки (рис. 11.6,я).

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 / = v-t магнитного покрытия носителя образуются следы. При /₃ > 0 магнитный поток Ф_с следа направлен по часовой стрелке, при /₃ < 0 — против часовой стрелки. Отпечатки создаются во время изменения направления тока записи /₃.

Режим хранения. После выключения тока записи (/₃ = 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 и_с. При движении магнитного носителя в магнитопроводе возникает магнитный поток Ф (рис. 11.3). Во время прохождения отпечатков вблизи зазора А магнитопровода происходит изменение магнитного потока Ф, в результате чего на обмотке возникают разнополярные импульсы напряжения считывания и_с =kxd S/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 11000101 зарегистрировано 5 импульсов напряжения и_с, 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 (11000101...), 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 и_с;

=> 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 и_с. 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 и_с не соответствует исходной кодовой последовательности и требует дополнительных преобразований, реализация которых проиллюстрирована на рис. 11.6,5. Если для рассматриваемого примера над сигналом считывания и_с выполнить операцию взятия по модулю |«_с|, которая может быть реализована по схеме двухтактного выпрямителя, а затем подать сигнал |м_с| на вход счетного Г-триггера (Т), то на его выходе получим последовательность импульсов и_т, удовлетворяющих потенциальному способу кодирования. Выполнив операцию логического умножения выходного сигнала счетчика на синхроимпульсы ГСИ, получим выходное напряжение w_BbIX = и₇ а «_си, 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 д в а 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: + В_п 0 и — В_г. 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: + В_Г и —В_г.

По ориентации магнитного потока (доменов) в магнитном покрытии носителя следует выделить два способа записи [11]: => горизонтальную запись, при которой внутренние магнитные потоки следов Ф_с 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 (5 = 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 (5 > 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 [11J.