74 硬磁盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備

1、7.4 硬磁盤(pán)存儲(chǔ)設(shè)備 7.4.1 磁記錄原理與記錄方式 計(jì)算機(jī)的外存儲(chǔ)器又稱(chēng)磁表面存儲(chǔ)設(shè)備。所謂磁表面存儲(chǔ)，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(lái)存儲(chǔ)信息。磁盤(pán)存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器均屬于磁表面存儲(chǔ)器。 磁表面存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)：(1)存儲(chǔ)容量大，位價(jià)格低；(2)記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用；(3)記錄信息可以長(zhǎng)期保存而不丟失，甚至可以脫機(jī)存檔；(4)非破壞性讀出，讀出時(shí)不需要再生信息 。磁表面存儲(chǔ)器的缺點(diǎn)：存取速度較慢，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)工作環(huán)境要求較高。 磁表面存儲(chǔ)器由于存儲(chǔ)容量大，位成本低，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中作為輔助大容量存儲(chǔ)器使用，用以存放系統(tǒng)軟件、大型文件、數(shù)據(jù)庫(kù)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(jì)算機(jī)中，用于存儲(chǔ)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(chǎng)的作用下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度H和外加磁場(chǎng)D的關(guān)系,可用矩形磁滯回線來(lái)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(diǎn)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(chǎng))幅度足夠大，那么在電流消失后磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B將處在-Br狀態(tài)(負(fù)剩磁狀態(tài))。這就是說(shuō)，當(dāng)磁性材料被磁化后，會(huì)形成兩個(gè)穩(wěn)定的剩磁狀態(tài)，就像觸發(fā)器電路有兩個(gè)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(gè)磁化元或存儲(chǔ)元，它是記錄一個(gè)二進(jìn)制信息位的最小單位。2.記錄方式實(shí)際應(yīng)用中，磁性材料寫(xiě)入二進(jìn)制代碼0或1，是靠不同的寫(xiě)入電流波形來(lái)實(shí)現(xiàn)的。形成不同寫(xiě)入電流波形的方式，稱(chēng)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(jìn)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(xiě)控制電路實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。在磁表面存儲(chǔ)器中，由于寫(xiě)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(lèi)。每類(lèi)中由于方案改進(jìn)又演變出若干派生方案。這些記錄方式中代碼0或1的寫(xiě)入電流波形示于圖7.11中。歸零制（RZ）記錄方式的特點(diǎn)，正向電流代表1，負(fù)向電流代表0，不論某存儲(chǔ)元記錄的代碼是O或1，在記錄下一個(gè)信息之前，記錄電流要恢復(fù)到零電流（即沒(méi)有電流）。這種記錄方式簡(jiǎn)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(hào)也同時(shí)記入。 2 不歸零制（NRZ0）記錄方式的特點(diǎn)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(jiàn)“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(guò)。不同處在于，記錄“ 0”時(shí)電流方向不變，只有遇到“ 1”時(shí)才改變方向。 調(diào)相制（PM）記錄方式的特點(diǎn)是，在一個(gè)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(jìn)行寫(xiě)“ l”或?qū)憽?0”，所以通過(guò)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(hào)相位不同，抗干擾能力較強(qiáng)。另外讀出信號(hào)經(jīng)分離電路可提取自同步定時(shí)脈沖，所以具有自同步能力。磁帶存儲(chǔ)器中一般采用這種紀(jì)錄方式。 調(diào)頻制記錄方式的特點(diǎn)如下：（1）無(wú)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(gè)存儲(chǔ)元交界處電流都要改變方向；（2

6、）記錄1時(shí)電流一定要在位周期中間改變方向，寫(xiě)“1”電流的頻率是寫(xiě)“0”電流頻率的2倍，故稱(chēng)為倍頻法。這種紀(jì)錄方式的優(yōu)點(diǎn)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(pán)存儲(chǔ)器。 改進(jìn)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(gè)或兩個(gè)以上“0”時(shí)，才在位周期的起始位置翻轉(zhuǎn)一次，而不是在每個(gè)位周期的起始處都翻轉(zhuǎn)，因而進(jìn)一步提高了記錄密度。MFM主要用于雙密度磁盤(pán)存儲(chǔ)器。 除了上述幾種記錄方式外，還有游程長(zhǎng)度受限碼RLLC、成組編碼GCR等記錄方式。RLLC的編碼實(shí)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(zhǎng)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(jìn)行調(diào)制和寫(xiě)入該碼具有自同步能力，正確設(shè)計(jì)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(pán)中得到了廣泛應(yīng)用。 磁帶機(jī)上使用的成組編碼GCR（5，4）實(shí)質(zhì)上也是一種RLLC，從而使磁帶機(jī)的存儲(chǔ)密度大大提高3 不同的記錄方式具有不同的特點(diǎn)，評(píng)價(jià)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(chǔ)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(dòng)提取同步信號(hào)（時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)）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(lái)衡量。R越大，自同步能力越強(qiáng)。例如NRZ，NRZ1沒(méi)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(jiǎn)讀分辨力是指磁記錄系統(tǒng)對(duì)讀出信號(hào)的分辨能力， 信息相關(guān)性是指漏讀或錯(cuò)讀一位是否會(huì)傳播誤碼，所以是衡量精度的指標(biāo)。3磁

9、表面存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)原理 在磁表面存儲(chǔ)器中，利用一種稱(chēng)為“磁頭”的裝置來(lái)形成和判別磁層中的不同磁化狀態(tài)。換句話說(shuō)，寫(xiě)入時(shí)，利用磁頭使磁體（盤(pán)片）具有不同的磁化狀態(tài)，而再讀出時(shí)又利用磁頭來(lái)判別這些不同的磁化狀態(tài)。磁頭實(shí)際上是軟磁材料作鐵芯繞有讀寫(xiě)線圈的電磁鐵，如圖7.12所示。4（1）寫(xiě)操作 當(dāng)寫(xiě)線圈中通過(guò)一定方向的脈沖電流時(shí)，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(qiáng)的磁場(chǎng)。如圖712所示，在這個(gè)磁場(chǎng)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(xiě)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(xiě)“1”，那么寫(xiě)線圈里通以相反方向的電流時(shí)即為寫(xiě)“0”。上述過(guò)程稱(chēng)為“寫(xiě)入”。顯然，一個(gè)磁化元就是一個(gè)存儲(chǔ)元，一個(gè)磁化無(wú)中存儲(chǔ)一位二進(jìn)制信息。當(dāng)載磁體相對(duì)于碰頭運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可以連續(xù)寫(xiě)入一連串的二進(jìn)制信息。 （2）讀操作 如何讀出記錄在磁表面上的二進(jìn)制代碼信息呢？也就是說(shuō)，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(guò)載磁體的磁化無(wú)時(shí)，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(guò)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(duì)載磁體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于磁頭鐵芯中 圖7.12 磁頭在磁表面存儲(chǔ)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(dòng)勢(shì)e,其值為 e = -k*d/dt 5 負(fù)號(hào)表示感應(yīng)電勢(shì)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(shì)方向不同。這樣，不同方向的感應(yīng)電勢(shì)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(shū)上圖7.13示出了歸零制記錄方式的寫(xiě)讀過(guò)程波形圖。 歸納起來(lái)，通過(guò)電-磁變換，利用磁頭寫(xiě)線圈中的脈沖電流，可把一位二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成載磁體存儲(chǔ)元的不同剩磁狀態(tài)；反之，通過(guò)磁-電變換，利用