74 硬磁盤存儲設(shè)備

1、7.4 硬磁盤存儲設(shè)備 7.4.1 磁記錄原理與記錄方式 計算機的外存儲器又稱磁表面存儲設(shè)備。所謂磁表面存儲，是用某些磁性材料薄薄地涂在金屬鋁或塑料表面作載磁體來存儲信息。磁盤存儲器、磁帶存儲器均屬于磁表面存儲器。 磁表面存儲器的優(yōu)點：(1)存儲容量大，位價格低；(2)記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用；(3)記錄信息可以長期保存而不丟失，甚至可以脫機存檔；(4)非破壞性讀出，讀出時不需要再生信息 。磁表面存儲器的缺點：存取速度較慢，機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對工作環(huán)境要求較高。 磁表面存儲器由于存儲容量大，位成本低，在計算機系統(tǒng)中作為輔助大容量存儲器使用，用以存放系統(tǒng)軟件、大型文件、數(shù)據(jù)庫等大量程序與數(shù)據(jù)信息。1.磁

2、性材料的物理特性 在計算機中，用于存儲設(shè)備的磁性材料，是一種具有矩形磁滯回線的磁性材料。這種磁性材料在外加磁場的作用下，其磁感應(yīng)強度H和外加磁場D的關(guān)系,可用矩形磁滯回線來描述，如圖7.9所示。 從磁滯回線可以看出，磁性材料被磁化以后，工作點總是在磁滯回線上。 圖7.10 磁性材料的磁滯回線1 只要外加的正向脈沖電流(即外加磁場)幅度足夠大，那么在電流消失后磁感應(yīng)強度B并不等于零，而是處在+Br狀態(tài)(正剩磁狀態(tài))。反之，當(dāng)外加負(fù)向脈沖電流時，磁感應(yīng)強度B將處在-Br狀態(tài)(負(fù)剩磁狀態(tài))。這就是說，當(dāng)磁性材料被磁化后，會形成兩個穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)，就像觸發(fā)器電路有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)一樣。如果規(guī)定用+Br狀

3、態(tài)表示代碼“1”，-Br狀態(tài)表示代碼“0”，那么要使磁性材料記憶“1”，就要加正向脈沖電流，使磁性材料正向磁化；要使磁性材料記憶“0 ”，則要加負(fù)向脈沖電流，使磁性材料反向磁化。磁性材料上呈現(xiàn)剩磁狀態(tài)的地方形成了一個磁化元或存儲元，它是記錄一個二進制信息位的最小單位。2.記錄方式實際應(yīng)用中，磁性材料寫入二進制代碼0或1，是靠不同的寫入電流波形來實現(xiàn)的。形成不同寫入電流波形的方式，稱為記錄方式。記錄方式是一種編碼方式，它按某種規(guī)律將一串二進制數(shù)字信息變換成磁層中相應(yīng)的磁化元狀態(tài)，用讀寫控制電路實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。在磁表面存儲器中，由于寫入電流的幅度、相位、頻率變化不同，從而形成了不同的記錄方式。這些記

4、錄方式可分為歸零制（RZ）、不歸零制（NRZ）、調(diào)相制（PM）和調(diào)頻制（FM）幾大類。每類中由于方案改進又演變出若干派生方案。這些記錄方式中代碼0或1的寫入電流波形示于圖7.11中。歸零制（RZ）記錄方式的特點，正向電流代表1，負(fù)向電流代表0，不論某存儲元記錄的代碼是O或1，在記錄下一個信息之前，記錄電流要恢復(fù)到零電流（即沒有電流）。這種記錄方式簡單易行，但記錄密度低，抗干擾能力差，往往把各種干擾的電流信號也同時記入。 2 不歸零制（NRZ0）記錄方式的特點是，磁頭線圈中始終有電流，不是正向電流（代表1）就是反向電流（代表0），因此不歸零制記錄方式的抗干擾性能較好。 見“1”就翻不歸零制（NR

5、Z1）與 NRZ0制相同之處是磁頭線圈中始終有電流通過。不同處在于，記錄“ 0”時電流方向不變，只有遇到“ 1”時才改變方向。 調(diào)相制（PM）記錄方式的特點是，在一個位周期的中間位置，電流由負(fù)到正為l，由正到負(fù)為0，即利用電流相位的變化進行寫“ l”或?qū)憽?0”，所以通過磁頭中的電流方向一定要改變一次。這種記錄方式中“ 1”和“ 0”的讀出信號相位不同，抗干擾能力較強。另外讀出信號經(jīng)分離電路可提取自同步定時脈沖，所以具有自同步能力。磁帶存儲器中一般采用這種紀(jì)錄方式。 調(diào)頻制記錄方式的特點如下：（1）無論記錄的代碼是1或0，或者連續(xù)些“1”或?qū)憽?”，在相鄰兩個存儲元交界處電流都要改變方向；（2

6、）記錄1時電流一定要在位周期中間改變方向，寫“1”電流的頻率是寫“0”電流頻率的2倍，故稱為倍頻法。這種紀(jì)錄方式的優(yōu)點是記錄密度高，具有自同步能力。FM目前主要用于單密度磁盤存儲器。 改進調(diào)頻制（MFM）與調(diào)頻制的區(qū)別在于只有連續(xù)記錄兩個或兩個以上“0”時，才在位周期的起始位置翻轉(zhuǎn)一次，而不是在每個位周期的起始處都翻轉(zhuǎn)，因而進一步提高了記錄密度。MFM主要用于雙密度磁盤存儲器。 除了上述幾種記錄方式外，還有游程長度受限碼RLLC、成組編碼GCR等記錄方式。RLLC的編碼實質(zhì)是將原始數(shù)據(jù)序列變換成“O”、“1”受限制的記錄序列，其編碼規(guī)則是先把輸入信息序列變換為“o”游程長度受限碼，即任何兩位相

7、鄰的“ 1”之間的“0”的最大位數(shù)k和最小位數(shù)d均受到限制的新編碼，然后再用NRZ1制方式進行調(diào)制和寫入該碼具有自同步能力，正確設(shè)計k，d值，可獲得優(yōu)良的編碼性能，因而在近幾年發(fā)展的高密度磁盤中得到了廣泛應(yīng)用。 磁帶機上使用的成組編碼GCR（5，4）實質(zhì)上也是一種RLLC，從而使磁帶機的存儲密度大大提高3 不同的記錄方式具有不同的特點，評價一種記錄方式優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是編碼效率、自同步能力、檢讀分辨力、信息相關(guān)性、抗干擾能力、信道帶寬、編碼澤碼電路的復(fù)雜性等。 編碼效率是指位密度與最大磁化翻轉(zhuǎn)密度之比，也就是指每次磁層狀態(tài)翻轉(zhuǎn)所存儲數(shù)據(jù)信息位的多少。例如 FM，PM記錄方式中記錄一位數(shù)字信息的最大磁

8、化翻轉(zhuǎn)次數(shù)為2，因此編碼效率為 50。而 MFM，NRZ，NRZ1；中由于紀(jì)錄一位數(shù)字信息磁化翻轉(zhuǎn)最多1次，故它們的編碼效率為 100。 自同步能力是指從讀出數(shù)據(jù)（脈沖序列）中自動提取同步信號（時間基準(zhǔn)信號）的能力。自同步能力的大小可以用最小磁化翻轉(zhuǎn)間隔與最大磁化翻轉(zhuǎn)間隔的比值R來衡量。R越大，自同步能力越強。例如NRZ，NRZ1沒有自同步能力，而PM，F(xiàn)M，MFM記錄方式具有自同步能力。其中FM記錄方式的最大磁化翻轉(zhuǎn)間隔是位周期T，最小磁化翻轉(zhuǎn)間隔是T/2，因此R=0.5。 簡讀分辨力是指磁記錄系統(tǒng)對讀出信號的分辨能力， 信息相關(guān)性是指漏讀或錯讀一位是否會傳播誤碼，所以是衡量精度的指標(biāo)。3磁

9、表面存儲器的讀寫原理 在磁表面存儲器中，利用一種稱為“磁頭”的裝置來形成和判別磁層中的不同磁化狀態(tài)。換句話說，寫入時，利用磁頭使磁體（盤片）具有不同的磁化狀態(tài)，而再讀出時又利用磁頭來判別這些不同的磁化狀態(tài)。磁頭實際上是軟磁材料作鐵芯繞有讀寫線圈的電磁鐵，如圖7.12所示。4（1）寫操作 當(dāng)寫線圈中通過一定方向的脈沖電流時，鐵芯內(nèi)就產(chǎn)生一定方向的磁通。由于鐵芯是高導(dǎo)磁率材料，而鐵芯空隙處為非磁性材料，故在鐵芯空隙處集中很強的磁場。如圖712所示，在這個磁場作用下，載磁體就被磁化成相應(yīng)極性的磁化位或磁化元。若在寫線圈里通人相反方向的脈沖電流，就可得到相反極性的磁化元。如果我們規(guī)定按圖中所示電流方向

10、為寫“1”，那么寫線圈里通以相反方向的電流時即為寫“0”。上述過程稱為“寫入”。顯然，一個磁化元就是一個存儲元，一個磁化無中存儲一位二進制信息。當(dāng)載磁體相對于碰頭運動時，就可以連續(xù)寫入一連串的二進制信息。 （2）讀操作 如何讀出記錄在磁表面上的二進制代碼信息呢？也就是說，如何判斷載磁體上信息的不同剩磁狀態(tài)呢？ 當(dāng)磁頭經(jīng)過載磁體的磁化無時，由于磁頭鐵芯是良好的導(dǎo)磁材料，磁化元的磁力線很容易通過磁頭而形成閉合磁通回路。不同極性的磁化元在鐵芯里的方向是不同的。當(dāng)磁頭對載磁體作相對運動時，由于磁頭鐵芯中 圖7.12 磁頭在磁表面存儲信息的原理磁通的變化，使讀出線圈中感應(yīng)出相應(yīng)的電動勢e,其值為 e = -k*d/dt 5 負(fù)號表示感應(yīng)電勢的方向與磁通的變化方向相反。不同的磁化狀態(tài)，所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢方向不同。這樣，不同方向的感應(yīng)電勢經(jīng)讀出放大器放大鑒別，就可判知讀出的信息是“1”還是“0”。書上圖7.13示出了歸零制記錄方式的寫讀過程波形圖。 歸納起來，通過電-磁變換，利用磁頭寫線圈中的脈沖電流，可把一位二進制代碼轉(zhuǎn)換成載磁體存儲元的不同剩磁狀態(tài)；反之，通過磁-電變換，利用