Классификация и основные характеристики ВЗУ.

ВЗУ, или накопители, являются основными компонентами системы внешней памяти. Информация в них располагается в виде блоков, которые становятся доступными для обработки в ЦП в результате выпол­нения операции ввода, т.е. загрузки их из внешней памяти в оперативную. Передача блоков из оперативной во внешнюю память осуществляется операцией вывода. В качестве ВЗУ используются устройства, различающиеся типом носителя, способом регистрации и характером использования информации, способом доступа и т.д.

По типу носителя различают ВЗУ с подвижным и неподвижным носителем. При современной технологии наиболее часто реализуют размещение информации на поверхности некоторого тела, называемого носителем. Если поиск, запись и считывание информации сопровождается механическим перемещением носителя, то такие ВЗУ назы­вают накопителями с подвижным носителем, среди которых наиболее распространены накопители на магнитных дисках (НМД), оптических дисках (НОД), магнитных лентах (НМЛ). Такой носитель может быть гибким и жестким. Если при поиске, записи и считы­вании механического перемещения носителя не происходит, то ВЗУ называют накопите­лем с неподвижным носителем; примером может служить накопитель на основе цилиндрических магнитных доментов (ЦМД). Реже в ВЗУ используют объемную запись – полупроводниковые ЗУ, приборы с зарядовой связью.

По способу регистрации различают ВЗУ с магнитной и оптической (магнитооптической) записью.

По характеру использования информа­ции – постоянные ВЗУ, которые допускают только чтение информации, ВЗУ с однок­ратной записью (пользователь имеет возможность произвести запись информации на поверхность носителя один раз, после чего допускается только чтение) и с многократной записью, при которой допускается произвольное число циклов записи и чтения.

По способу доступа к информации все ВЗУ делят на накопители с последо­вательным и прямым доступом. Расположение блоков на поверхности носителя можно представить в виде линейного или двумерного массива (рис 1). В первом случае для нахождения требуемого блока последовательно просматриваются все блоки. ВЗУ, реализующие такой просмотр, называют накопите­лями с последовательным доступом; примером может служить НМЛ, максимальное время поиска соответст­вует времени перемещения ленты от начала до конца и достигает 1-2 мин. При расположении блоков инфор­мации на носителе в виде двумерного массива можно организовать независимый поиск по каждому направ­лению.

Пусть задан номер строки (или дорожки) Yi, где расположен искомый блок ij; тогда время поиска опре­деляется временем просмотра блоков только на этой дорожке. ВЗУ, реализующие такой просмотр, называ­ют накопителями с прямым доступом: поиск в направ­лении Y в них производится за счет переключения или

перемещения органов считывания (головок), а просмотр в направлении X – за счет перемещения носителя или продвижения информации по структуре (в ВЗУ на ЦМД). В ВЗУ с прямым доступом один и тот же блок доступен для записи или считывания через постоянные промежутки времени, определяемые в случае НМД временем оборота; поэто­му такой доступ иногда называют циклическим.

Рис. 1.

ВЗУ принято характеризовать следующими параметрами:

— емкостью памяти; при этом если носитель информации является сменным (пакет МД, катушка МЛ), то под емкостью ВЗУ понимают объем одного тома, который доступен вычислительной системе без замены носителя (т.е. объем одного пакета для одношпиндельных или всех одновременно установленных пакетов для многошпиндельных НМД);

— пропускной способностью или скоростью записи-считывания; блок на носителе можно рассматривать в виде последовательности бит, расположенных вдоль направления движения носителя. Длительность записи и считывания блока, таким образом, определя­ется временем, затрачиваемым на прохождение блока под головкой, а пропускная способ­ность соответствует отношению объема блока ко времени его прохождения под голов­кой;

— временем доступа, т.е. интервалом времени от момента запроса до момента выдачи блока; этот интервал времени не постоянен и зависит от множества факторов — скорости перемещения носителя, скорости перемещения головки, прямого или последовательного доступа, расстояния между текущим положением головки и расположением запрашива­емого блока на носителе и т.п. В случае подвижного носителя и прямого доступа этот интервал складывается из времени поиска дорожки (затрачиваемого на перемещение головки) и времени ожидания, пока блок на носителе не окажется под головкой. Время поиска дорожки характеризуют минимальным (переход на соседнюю дорожку), максимальным (переход с крайней дорожки на противоположную) и средним зна­чениями. Время ожидания характеризуют средним значением, которое соответствует половине длительности оборота носителя. Данные одного пользователя обычно размеща­ются на соседних дорожках, что уменьшает время поиска, однако при коллективном использовании ВЗУ в мультипрограммном режиме эта «локальность» данных нарушается и время поиска возрастает.

В системах внешней памяти преобладающее место занимают накопители с прямым доступом, так как они обеспечивают приемлемое время поиска (порядка нескольких миллисекунд), высокую пропускную способность (свыше 1 Мбайт/с), большую емкость (для сменных пакетов МД до 300 Мбайт, модулей «винчестерского» типа — до 5 Гбайт, для НОД — до 10 Гбайт). ВЗУ с последовательным доступом отличает низкая стоимость хранения информации, но по всем другим параметрам они уступают накопителям с пря­мым доступом; поэтому НМЛ используют для сохранения информации на случай аварийного разрушения, т.е. они служат в качестве резервных.

Одной из важнейших характеристик ВЗУ, обычно скрытых от пользователя, является информационная плотность записи. Под плотностью записи δ_s, понимают число бит информации, записанных на единице поверхности носителя; это — поверхностная плот­ность. Различают также продольную плотность δ_l, бит/мм, т.е. число бит на единице длины носителя вдоль вектора скорости его перемещения, и поперечную плотность d_q, бит/мм, т.е. число бит на единице длины носителя в направлении, перпендикулярном вектору скорости:

δ_s = δ_l ×δ_q.

Плотность записи определяет геометрические размеры накопителя, параметры его быстродействия, а также объем памяти. В свою очередь, информационная плотность записи определяется принципами регистрации информации на носителе, материалами, конструктивными особенностями и технологией изготовления, как носителя, так и средств записи-считывания.

ТРЕТИЙ ВОПРОС

Спе­цифика ВЗУ заключена в его накопителе. Рассмотрим типичные накопители ВЗУ.

Накопитель на магнитной ленте (НМЛ) – накопитель ВЗУ, носителем информации которого является магнитная лента. Такие накопите­ли бывают катушечные и кассетные. В микропроцес­сорных системах применяются преимущественно кас­сетные накопители на магнитной ленте (КНМЛ), т. е. накопители, магнитная лента которых помещена в спе­циальную съемную кассету. Существует два вида та­ких кассет: компакт-кассета, идентичная компакт-кас­сете бытовых магнитофонов, и специальная цифровая кассета типа Картридж.

В компакт-кассете приемная и подающая катушки магнитной ленты размещены в одной плоскости, при­вод осуществляется ведущим валиком за магнитную ленту с фрикционной подмоткой обеих катушек.

В кассетах типа Картридж приемная и подающая катушки магнитной ленты размещены в параллельных плоскостях одна под другой. Привод осуществляется

ведущим валиком с помощью бесконечной ленты, оги­бающей приемную и подающую катушки. Такой при­вод значительно упрощает механизм (исключается фрикционный привод катушек) и повышает стабиль­ность скорости вращения ленты, но усложняет кассету.

Накопитель на магнитных дисках (НМД) – это накопитель ВЗУ, носителем информа­ции которого является вращающийся диск, покрытый тонкой пленкой магнитного материала. Такие накопи­тели бывают с жесткими или гибкими дисками. В НМД с жесткими дисками носителем информации является металлический (обычно из прочного алюми­ниевого сплава) диск или пакет дисков. Эти накопите­ли отличаются самой высокой скоростью обмена ин­формации из всех видов магнитных ВЗУ с подвижным носителем. В микропроцессорных системах широкое распространение получили НМД типа Винчестер, от­личающиеся тем, что жесткий диск с облегченными плавающими головками выполнен в едином (иногда съемном) герметизированном кожухе, что значитель­но упрощает его эксплуатацию и обеспечивает воз­можность получения максимально возможной плотно­сти записи информации.

Накопитель на гибких магнитных дис­ках (НГМД) – это НМД, сменным носителем информации которого является магнитный диск, выпол­ненный на гибкой полимерной основе. Такой накопи­тель является основным видом ВЗУ микропроцессор­ных систем, обеспечивающим возможность создания архива данных произвольного объема, обмена про­граммным обеспечением между пользователями, тира­жирования программного обеспечения и т.п. В отече­ственном НГМД (например, типа «Электроника ГМД-7012») одновременно могут устанавливаться два гибких магнитных диска диаметром около 200 мм, при этом общая емкость накопителя равна 512 512 байт. Скорость передачи данных примерно 50 К байт/с.

Накопитель на магнитных картах – это накопитель ВЗУ, носителем информации которого является сменная магнитная карта, выполненная на гибкой полимерной основе. Накопители на магнитных картах являются простейшим видом накопителей ВЗУ, применяемых в сложных калькуляторах, техно­логическом оборудовании и т.п. Они отличаются низкой информационной емкостью и низкой скоростью обмена данными. Их достоинства — низкая стоимость, простота в применении.

Накопители на цилиндрических маг­нитных доменах (ЦМД) – это накопитель ВЗУ, носителем информации которого являются цилиндри­ческие магнитные образования (доменные структуры), сформированные в монолитном кристалле. Носители информации на ЦМД выполняются в виде интеграль­ных микросхем, содержащих 256 К, 1М, 4М бит ин­формации и более.

Литература:

1. М.В. Напрасник «Микропроцессоры и микроЭВМ», стр.: 66-69.

2. А.М. Ларионов «Периферийные устройства в вычислительных системах», стр.: 261-263, 281-318.

ЗАНЯТИЕ 1.3.6Принципы записи информации на внешние запоминающие

устройства.

ВОПРОСЫ ЗАНЯТИЯ:

1. Физические основы регистрации информации.

2. Представление цифровой информации на носителе.

ПЕРВЫЙ ВОПРОС

Наиболее распространенными способами регистрации инфор­мации во ВЗУ является магнитная и оптическая запись на поверхности подвижного носителя и запись информации в ЦМД-структурах.

Основы магнитной записи. Запись и считывание информации происходят в процессе взаимодействия магнитного покрытия, т.е. «поверхности» носителя и магнитной головки (МГ). Магнитная головка представляет собой электромагнит, располагаемый у повер­хности движущегося носителя; она состоит из сердечника, выполня­емого из магнитомягкого материала, обладающего малой коэрцитивной силой и большим значением индукции насыщения, и токовых обмоток. Слой носителя, в котором происходит непосредст­венная регистрация информации и ее хранение выполняется из магнитотвердого материала со сравнительно большими значениями коэрцитивной силы (Н_с=12 000—80 000 А/м) и остаточной индукции (В_m=0,1—0,6 Тл).

Материал магнитного покрытия носителя можно представить множеством хаотически расположенных магнитных доменов, ориентация которых изменяется под действием внешнего магнитного поля. Будем изображать магнитный домен стрелкой, острие которой соответствует северному полюсу. На рис. 1 показаны различные возможные состояния материала носителя: (а) — размагниченное, когда ориентация доменов хаотична; (б) и (в) — намагниченности с горизонтальной ориентацией в одном из двух противоположных состояний насыщения; (г) и (д) — намагниченности с вертикальной ориентацией доменов перпендикулярно плоскости носителя.

Рис. 1

Современные ВЗУ используют для записи информации два противоположных состояния намагниченности, соответствующие рас­положению стрелок на рис. 1 вправо и влево или вверх и вниз. Размагниченное состояние, соответствующее хаотической ориентации доменов на рис. 1,а, не используется, так как возникают трудности с переводом материала в это состояние, возрастает влияние помех, ухудшаются показатели плотности записи. Домены материала пок­рытия ориентируются вдоль силовых линий внешнего магнитного поля и, благодаря высокому значению коэрцитивной силы материала, сохраняют полученную ориентацию в течение длительного времени после окончания действия внешнего поля. Внешнее магнитное поле, ориентирующее домены в определенном направлении, создается МГ при записи, т.е. при подаче в ее обмотку тока записи. Если поле МГ приводит к ориентации доменов в плоскости носителя (рис. 1, б, в), то магнитную запись называют горизонтальной; если под действием поля головки домены приобретают ориентацию перпендикулярно плоскости носителя (рис. 1,д), то магнитную запись называют вертикальной (или перпендикулярной). Из двух методов записи наиболее распространена горизонтальная, хотя вертикальная запись потенциально позволяет получить более высокие показатели плотности.

Поскольку каждый из методов записи может использовать лишь два состояния намагниченности покрытия, то для регистрации информации особое значение приобретают переходы от одного состояния к противоположному. Этот переход является «отпечатком», который может быть обнаружен с помощью МГ чтения.

Горизонтальная магнитная запись. МГ записи представляет собой магнитопровод из магнитомягкого материала с зазором; на магнитопроводе размещается обмотка, в которую подается ток записи I_w, как показано на рис. 2,а. При протекании тока I_w по обмотке МГ в ее магнитопроводе создается магнитный поток, который замыкается через зазор g. Поскольку магнитное сопротивление зазора g велико, поток частично замыкается через магнитный слой носителя толщиной s, отстоящий от зазора головки на расстояние d, что и приводит к изменению ориентации доменов в запоминающем слое. Таким образом, под действием тока в обмотке записи домены магнитного слоя носителя ориентируются в одном направлении на тех участках, которые оказались в «зоне действия» МГ при перемещении носителя относительно нее. Если изменить направление тока записи I_w, то ориентация доменов на соответству­ющих участках носителя изменится на противоположную.

На рис. 2,б показано воздействие тока на различные участки носителя при его движении. При равномерном движении сохраняется пропорциональная зависимость между временем протекания тока в МГ и перемещением носителя L. В результате в магнитном слое остаются отпечатки в тех местах носителя, которые находились под МГ записи в моменты переключения тока I_w. Каждый отпечаток соответствует переходу (границе) между участками носителя с противоположными состояниями намагниченности. Количество пере­ходов, размещаемых на единице площади носителя, называют физической плотностью записи. Предельное значение физической плотности записи зависит от метода магнитной записи (вертикальная или горизонтальная), величины зазора в МГ и ее конструкции, расстояния между МГ и покрытием носителя, от характеристик магнитного материала носителя и ряда других факторов.

Магнитная головка чтения позволяет определять моменты времени, когда при движении носителя под ней оказываются границы между участками с противоположными состояниями намагниченности носителя. Магнитный поток, создаваемый доменами носителя, частично замыкается через магнитопровод МГ чтения. При прохож­дении под МГ чтения отпечатка потокосцепление ее обмотки изменяется и в ней наводится ЭДС. Согласно закону Фарадея, ЭДС считывания U_r пропорциональна скорости изменения потока Ф:

Рис. 2

Вертикальная магнитная запись. Для ориентации доменов в вертикальном направлении необходимо сформировать магнитный поток записи таким, чтобы он был перпендикулярен поверхности носителя и направлению его перемещения. Кроме того, магнитный материал носителя должен обладать одноосевой магнитной анизотропией с осью легкого намагничивания, перпендикулярной плоскости носителя. В настоящее время наиболее употребительным является сплав кобальта и хрома. Для создания вертикального магнитного поля записи используются МГ различных конструкций.

Рис. 3

На рис. 3,а показана МГ с узким рабочим 1 полюсом и широким полюсом замыкания 2. В качестве носителя информации при этом используется многослойная структура, включающая наружный за­поминающий слой 3 и специальный железо-никелевый слой замы­кания 4. Под. действием тока записи I_w в обмотке возникает магнитный поток, проходящий через запоминающий слой, где силовые линии вертикальны, и замыкающийся через слой замыкания, материал которого обладает высокой магнитной проницаемостью. Поскольку напряженность магнитного поля H=Ф/S, где S—площадь сечения магнитопровода, то можно подобрать такое соотношение площадей записывающего полюса головки S_w, и полюса замыкания S_b, чтобы при некотором постоянном значении тока записи I_w выполнялось условие:

где Нь — напряженность магнитного поля в запоминающем слое под полюсом замыкания, Н_с — коэрцитивная сила, H_w — напряженность магнитного поля в запоминающем слое под записывающим полюсом головки.

Под действием поля напряженности H_w, превышающей ко­эрцитивную силу, происходит вертикальная ориентация доменов в запоминающем слое; ориентация доменов под полюсом замыкания H_b < Н_с) не изменяется.

Для упрощения структуры носителя используют МГ записи, состоящую из двух «разделенных» полюсов, расположенных по обе стороны носителя (рис. 3,б). Записывающий полюс головки 2 расположен вблизи запоминающего слоя и имеет

небольшую площадь сечения. С противоположной стороны носителя расположен вспомо­гательный полюс головки 1, имеющий большое сечение. Запомина­ющий слой наносят на немагнитную основу. Такая конструкция обеспечивает возможность записи только с одной стороны носителя, но позволяет перемещать лишь рабочий, записывающий полюс. Способ может быть использован в НГМД. Существуют и другие разновидности способов вертикальной магнитной записи.

Физические основы оптической записи. Методы оптической записи на поверхности подвижного носителя основаны на способности некоторых материалов изменять отражательные свойства на участках, которые подвергались тепловому, магнитному или комбинированному воздействию. Преимущества оптической записи заключаются в потенциально высокой поверхностной плотности (10⁶ — 10⁷ бит/мм , что на порядок выше плотности магнитной записи), возможности получения высоких скоростей передачи данных, а также возможности использования дешевых способов получения копий хранимой инфор­мации. Однако многие методы оптической записи либо обеспечивают воможность только однократной записи, либо требуют сложных средств и больших затрат времени на реализацию селективного стирания.

Первоначально для оптической записи использовали свойство лазерного луча прожигать отверстие в тонком слое металла, нанесенного на стеклянный диск-подложку. На рис. 4,а показано, что сфокусированный оптической системой (ФС) лазерный луч большой мощности от источника (И) прожигает отверстия в металлическом запоминающем слое (ЗС) носителя; прожженное отверстие является оптическим отпечатком, который может быть распознан с помощью лазерного луча считывания меньшей мощности и фотодетектора (рис. 5,б).

Рис. 4

Отраженный световой луч считывания попадает на фотодетектор, и в зависимости от его интенсивности формируется электрический сигнал, соответствующий наличию или отсутствию отверстия-отпечатка. Этот метод обеспечивает однократ­ную запись информации, а поэтому может использоваться только для постоянных ВЗУ. Запоминающий слой покрыт прозрачным предохранительным слоем (ПрС), и поэтому мелкие пылевые частицы не влияют на процессы записи-считывания, так как находятся не в фокусе лазерного луча.

Изменение коэффициента отражения запоминающего слоя в местах записи можно обеспечить воздействием луча записи на промежуточный слой органического материала, расположенный не­посредственно под тонким металлическим слоем. Локальный нагрев участков органического материала приводит к выделению газов и вспучиванию металлического слоя непосредственно в точке нагрева. Участок вспучивания является отпечатком, детектируемым при считывании. Этим также достигается лишь однократная запись.

Возможность многократной записи обеспечивается при исполь­зовании магнитооптических носителей. Запоминающий слой выпол­няется из аморфной магнитной пленки (например, на основе сплава Tb-Fe-Co), которая при записи нагревается лучом лазера до температуры выше температуры точки Кюри.

Рис. 5

Под действием внешнего магнитного поля нагретые участки изменяют состояние намагничен­ности (рис. 6,а,) которое сохраняется и после охлаждения (рис. 6,б). Для считывания информации на поверхность носителя направляется узкий пучок поляризованного света; намагниченные отпечатки изменяют угол поляризации и, таким образом, могут быть детектированы. Стирание информации производится аналогично записи, однако направление магнитного поля при этом должно быть противоположным.

Оптические методы записи на подвижном носителе позволяют получить высокую плотность (до 0,1-0,3 Мбит/мм ), что делает возможным на одном диске стандартного диаметра 304,8 мм размещать 10-40 Гбит информации. Технология оптической памяти нацелена на создание памяти, аналогичной памяти на магнитных дисках, но с емкостью на несколько порядков выше. К настоящему времени серийно выпускаются оптические ЗУ с однократной записью, в частности ЗУ на компактных оптических дисках. Так, изготавлива­емый в Болгарии и подключаемый к миниЭВМ и профессиональным ПЭВМ через интерфейс SCSI накопитель имеет емкость 600 Мбайт (на диске диаметром 120 мм), пропускную способность 153 Кбайт/с. Оптические диски с однократной записью служат средством распро­странения баз данных и программного обеспечения, записываемых на диск в процессе изготовления. В последнее время отечественной промышленностью начат выпуск НОД с многократной записью.

Рис. 6

ВТОРОЙ ВОПРОС

Рассмотрим способы, которые устанавливают соответствие отпе­чатков (переходов) на поверхности носителя значениям «0» и «1» записываемой цифровой информации; их принято называть способами записи. Наиболее распространенными являются способы записи без возврата к нулю (БВН), частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) модуляции, группового кодирования (ГК).

При выборе способа записи необходимо учитывать возможность получения высокой плотности, помехоустойчивости и достоверности, сложность трактов записи и восстановления информации и ряд других факторов. Трактом (или каналом) записи-воспроизведения называют совокупность аппаратных средств, позволяющих при операциях записи получать отпечатки на носителе в соответствии с тем или иным способом записи и восстанавливать записанную кодовую последовательность при операциях чтения. При магнитной записи основными компонентами тракта записи-воспроизведения являются головки (записи и воспроизведения), усилители записи и воспроизве­дения, детекторы информационных и синхронизирующих сигналов, схемы управления записью и воспроизведением.

Способ записи без возврата к нулю. Проблемы, возникающие при восстановлении цифровой двоичной информации по отпечаткам на носителе, выявим на примере наиболее распро­страненной разновидности способа записи БВН с переключением потока по единицам (БВН-1), или модифицированного способа БВН (БВНМ).

При регистрации цифровой информации на магнитном носителе производится изменение направления тока записи I_w в обмотке МГ при записи «1». Таким образом, при записи каждой единицы магнитный поток в МГ изменяет направление на противоположное, т.е. происходит «переключение потока», и на поверхности носителя остаются отпечатки — переходы от одного направления намагничен­ности к противоположному. При записи «0» направление тока записи и, следовательно, состояние носителя не изменяются; таким образом, при записи «0» на поверхности носителя отпечатков не остается. В процессе считывания информации с носителя в МГ чтения инду­цируются импульсы в моменты времени, когда под головкой оказываются переходы-отпечатки; эти импульсы соответствуют «еди­ницам» в записанной цифровой последовательности. Диаграмма, показывающая изменение тока записи I_w, состояние носителя М и считываемого сигнала U_r приведена на рис. 7,а. Отметим, что запись и считывание осуществляются при постоянной скорости перемещения носителя: L = V_H t. Это дает возможность на временной диаграмме отразить состояние носителя в зависимости от перемещения под МГ.

Поскольку при записи «0» на носителе отпечатка не оставалось, то для восстановления цифровой последовательности при чтении необходимо определить количество нулей, размещенных между каждыми двумя прочитанными отпечатками. Задачу можно решить путем организации синхронизации. Процесс записи разбивается на такты постоянной длительности; в каждом такте производится запись одной «1» или одного «0», причем при записи «1» на носителе образуется отпечаток, а при записи «0» — нет.

При считывании границы тактов восстанавливаются. Если в рамках восстановленного такта с МГ чтения был получен импульс, то это соответствует «1» в цифровой последовательности, а если импульс в такте отсутствовал, то это соответствует «0».

Рис. 7

Для восстановления тактов можно воспользоваться одним из следующих приемов:

1) при записи каждый такт отмечается отпечатком на служебной дорожке носителя. Тогда при чтении организуется одновременное считывание с информационной и служебной дорожек. Совпадение сигналов с обеих дорожек свидетельствует о том, что в цифровой последовательности должна быть восстановлена «1», а наличие сигнала только с дорожки синхронизации — что должен быть восстановлен «0»;

2) при параллельной записи одновременно по нескольким дорожкам исходные комбинации «0» и «1», подлежащие записи в одном такте, преобразуются к таким комбинациям, которые содержат по меньшей мере одну «1» и, следовательно, в каждом такте по крайней мере на одной из дорожек оставляется отпечаток. Этот прием требует наличия дополнительной дорожки и обычно реализу­ется при записи с контролем по нечетности. При чтении каждый такт отмечается наличием сигнала с любой головки чтения; сигнал синхронизации формируется путем дизъюнкции сигналов от всех МГ чтения. Вследствие «перекоса» носителя возможно неодновременное считывание сигналов для каждого такта, что ограничивает возможности применения такой синхронизации при высокой продольной плотности записи;

3) используется автономный генератор сигналов синхронизации, частота которого F_cu определяется по формуле

где δ_l — продольная плотность, бит/мм, V_H — скорость носителя, м/с. Вследствие того, что постоянство скорости носителя V_H может поддерживаться лишь в рамках определенных технических допусков, между моментами формирования сигналов синхронизации в автоном­но работающем генераторе и моментами считывания с носителя, соответствующими тактами записи, возникает временное рассогласо­вание ΔТ, пропорциональное числу тактов N от момента запуска генератора

где ΔV — непостоянство скорости перемещения носителя.

С целью уменьшения ΔT генератор синхросигналов повторно запускается каждым детектированным сигналом при считывании информации с носителя, т.е. в случае записи способом БВН-1, каждой восстановленной единицей в числовой последовательности. Тогда последняя формула преобразуется к виду

где No — максимальная длина последовательности нулей в исходной цифровой последовательности.

Формула показывает, что допустимое рассогласование моментов времени считывания с сигналами синхронизации может быть достигнуто путем уменьшения непрерывных последовательностей нулей при записи. Бели сигнал синхронизации можно выделить непосредственно из сигнала, получаемого при считывании инфор­мационных отпечатков на носителе, то такое свойство способа записи называют самосинхронизацией. БВН-1 не обладает свойством самосинхронизации.

Способы группового кодирования (ГК). Для ограничения максимальной длины непрерывной последовательности нулей при записи можно использовать принцип группового кодирования. Вся подлежащая записи на носителе цифровая после­довательность разбивается на группы по m бит в каждой. Затем каждая группа из m бит заменяется промежуточной группой из (т+1) бит; на носитель осуществляется запись последовательностей промежуточных групп способом БВН-1. В процессе считывания по отпечаткам на носителе воспроизводится сигнал, соответствующий последовательности промежуточных групп. Затем выделяются проме­жуточные группы по (т+1) бит и каждая промежуточная группа декодируется, т.е. заменяется исходной группой из т бит. Варианты способов группового кодирования принято обозначать дробью m/(m+1), в которой числитель указывает число бит в исходной, а знаменатель — число бит в промежуточной последовательностях. Принцип ГК поясним на примере способа 2/3 (табл. 1).

Комбинации бит исходной последовательности заменяются такими комбинациями промежуточной последовательности, чтобы в них содержалось минимальное число нулей. Как видно из таблицы, исходные комбинации 11, 10, 01 заменяются на комбинации из трех бит добавлением единицы справа, а исходная комбинация 00 заменяется на одну из трехбитовых комбинаций 110 или 010.

Таблица 1.

Ниже приведен пример исходной цифровой последовательности А, в которой максимальная длина непрерывной последовательности нулей состав­ляет 7; а соответствующая ей промежуточная последовательность В,

непосредственно записываемая на носитель, содержит не более двух подряд:

В способе ГК, используются два режима (I и II) соответствия исходных 2-битовых и промежуточных 3-битовых комбинаций (табл. 2).

Таблица 2

Замена исходной последовательности на промежуточную при записи и восстановление при считывании выполняются по следую­щему правилу. Все 2-битовые исходные комбинации заменяются промежуточными 3-битовыми комбинациями режима I до тех пор, пока не встречается комбинация «00». Комбинация «00» заменяется на 3-битовую комбинацию «010», если в исходной последовательности следующая цифра (из следующей 2-битовой комбинации) представ­ляет собой «0», и на комбинацию «110», если следующая цифра соответствует «1». Таким образом, в следующей 2-битовой комбинации необходимо закодировать с помощью 3-битовой проме­жуточной комбинации по существу лишь вторую цифру. Двухбитовая комбинация исходной последовательности, которая встречается вслед за комбинацией «00», заменяется на 3-битовую в режиме II, после чего восстанавливается режим I. При таком кодировании в проме­жуточной последовательности не может встретиться более двух нулей подряд.

Групповые коды 4/5 и 8/9 строятся по аналогичным правилам и позволяют в промежуточной последовательности иметь не более двух нулей подряд. Естественно, поскольку промежуточные комбинации длиннее исходных, логическая плотность записи инфор­мации снижается соответственно в 3/2, 5/4 и 9/8 раза, но обеспечивается возможность синхронизации. Чем длиннее кодовая комбинация, тем меньше снижение логической плотности, но тем сложнее схемы кодирования и декодирования и жестче требования, предъявляемые к стабильности скорости перемещения носителя.

В описанных способах ГК минимальное расстояние между отпечатками на носителе соответствует одному тактовому интервалу (две смежные единицы в промежуточной последовательности). При высокой стабильности скорости перемещения носителя и том же минимальном расстоянии между отпечатками можно увеличить логическую плотность записи, сохранив свойство самосинхронизации. Для этого промежуточная последовательность должна иметь вид 1X1X1..., где X — подпоследовательность нулей, включающая в себя не менее d, но не более к нулей. Такой групповой код называется dk-кодом. Принцип его построения аналогичен описанному выше, однако число допустимых комбинаций промежуточной последователь­ности здесь меньше, поэтому dk-коды требуют замены исходной комбинации из m бит промежуточной комбинацией из (m+n) бит, где п>1. Наиболее распространен код 2,7. При воспроизведении вместо X производится подстановка нулей, число которых пропорционально длительности интервала между детектированными отпечатками, соответствующими единицам.

Существует многочисленная группа способов записи, в которой регистрация и восстановление цифровой последовательности осуще­ствляются по изменению фазы или частоты сигнала воспроизведения. Эти способы записи позволяют работать в условиях более низкого отношения сигнал-шум, т.е. обеспечивает возможность более высокой плотности записи, но требует более сложных схем записи и считывания, а также высокой стабильности скорости носителя. Наиболее распространенными в этой группе являются способы фазовой модуляции (ФМ), частотной модуляции (ЧМ), модифицированной фазовой модуляции (МФМ).

Способ фазовой модуляции или кодирова­ния (ФМ или ФК). В начале каждого такта записи в МГ производится переключение направления тока, а следовательно, и изменение намагниченности носителя; при этом для записи «1» полярность тока изменяется в одном направлении (например, от положительной к отрицательной, как показано на рис. 7,б, а для записи «0» — в противоположном. При этом отпечатки «0» и «1» на носителе будут отличаться направлением изменения намагниченности носителя в местах, соответствующих началам тактов записи. Это позволяет при считывании восстанавливать как «0», так и «1», т.е. такой способ обладает свойством самосинхронизации.

Для записи последовательности одинаковых бит перед началом очередного такта записи ток в МГ должен быть переключен на противоположный. Это изменение тока оставляет на носителе ложные отпечатки, которые приводят к появлению «ложных» пиков в сигнале воспроизведения. Ложные пики появляются в моменты, соответству­ющие середине тактовых интервалов. Логические схемы тракта воспроизведения должны подавлять эти ложные сигналы, с этой целью они отличают моменты времени, соответствующие началам и серединам тактовых интервалов. Обычно это достигается пред­варительной «настройкой» схем тракта воспроизведения с помощью служебной последовательности (состоящей из фиксированного числа нулей или единиц), предшествующей информационной последова­тельности на носителе. Положительные импульсы (последовательность из нескольких единиц) служебной последовательности определяют моменты начала тактовых интервалов и устанавливают в исходное состояние Времязадающие схемы тракта воспроизведения, после чего обеспечивается возможность нормальной работы тракта.

Способ частотной модуляции (ЧМ). Этот способ иногда называют двухчастотным. При записи на магнитный носитель в начале тактового интервала производится переключение тока в обмотке МГ записи, что соответствует изменению направления намагниченности носителя. Переключения тока записи отмечают начала тактов записи и используются в тракте воспроизведения для формирования сигналов синхронизации. Таким образом, и этот способ обладает свойством самосинхронизации. Запись единиц и нулей производится в середине тактового интервала (рис. 7,в), причем при наличии записи «1» в середине тактового интервала в обмотке записи производится инвертирование тока, а при записи «0»-направление тока остается неизменным и, следовательно, при записи «0» отпечатка на носителе не остается. Нетрудно видеть, что этот способ логически представляет собой способ ГК 1/2. При считывании логические схемы тракта записи определяют наличие сигнала произвольной полярности в моменты, определяющие середину такто­вых интервалов; наличие сигнала в этот момент соответствует считыванию «I», а отсутствие — считыванию «0». Как и при способе ФМ, при способе ЧМ требуется предварительная настройка ло­гических схем тракта воспроизведения на начала тактовых интерва­лов.

При записи способами ФМ и ЧМ отпечатки могут располагаться на расстояниях, соответствующих 1/2 длительности такта записи. Близкое расположение отпечатков ухудшает возможность распозна­вания сигналов. Поэтому в последнее время получают распростра­нение способы, обладающие свойством самосинхронизации, но для которых отпечатки отстоят друг от друга на расстоянии, соответст­вующем одному такту и более. Эти способы, однако, требуют более сложных логических схем в трактах записи и воспроизведения.

Способ модифицированной фазовой моду­ляции (МФМ). Процесс записи и воспроизведения способом МФМ иллюстрируется рис. 7,г. При записи «1» производится изменение направления тока в обмотке МГ в моменты, соответствующие началам тактовых интервалов. Для записи «0» необходимо сдвинуть фазу записи и производить переключение тока в обмотке записи в

моменты, соответствующие серединам тактовых интервалов. Каждому изменению тока в МГ записи соответствует отпечаток на носителе, причем «1» соответствуют отпечатки в началах, а «0» — в середине тактовых интервалов; направление изменения намагниченности при этом значения не имеет. Отпечатки располагаются друг от друга на расстоянии, соответствующем длительности интервала записи Т при записи непрерывных последовательностей одинаковых значаний бит («0» или «1»); на расcстоянии, соответствующем 1,5Т при переходе от «1» к «0»; на расстоянии, соответствующем 0,5Т при переходе от «0» к «1». Чтобы избежать интервала в 0,5T, переключение тока в обмотке не производится для тех нулей последовательности, которые располагаются непосредственно перед единицами, например, в последовательности . Нули, для которых на носителе отпечатки отсутствуют, подчеркнуты чертой. При такой записи расстояния между отпечатками на носителе соответствуют трем интервалам: T, 1,5T, 2T, поэтому, рассматриваемый способ иногда называют трехинтервальным.

Логические схемы тракта воспроизведения, как и при ФМ и ЧМ, должны быть предварительно «настроены» на начало тактового интервала с использованием служебной последовательности. В даль­нейшем эти схемы детектируют указанные интервалы между импульсами воспроизведения и восстанавливают исходную последо­вательность следующим образом:

— если схемы «настроены» на начало тактового интервала и выделен интервал Т (импульс обнаружен в начале интервала), то текущему биту присваивается значение «1»; если выделен интервал 1,5Т, то текущему биту присваивается значение «0», а схемы тракта воспроизведения перестраиваются на середину тактового интервала; если выделен интервал 2T, то формируются сразу значения двух бит «01»;

— если схемы «настроены» на середину тактового интервала и выделен интервал Т (это соответствует импульсу в середине тактового интервала), то текущему биту присваивается значение «0»; если выделен интервал 1,5Т, то формируется значение сразу двух бит «01», а схемы тракта воспроизведения перестраиваются на начало тактового интервала.

Дополнительное уменьшение числа отпечатков на носителе (в частности для способа М ФМ) достигается усложнением такта записи-воспроизведения.

Многочисленность используемых способов записи объясняется разнообразными требованиями, предъявляемыми к ним различными ВЗУ. В табл. 3 приведены некоторые характеристики этих способов, а также устанавливаемые стандартом значения продольной плотности. Окно детектирования определяет тот интервал времени, в течение которого прием сигнала не приводит к искажению восстанавливаемой цифровой последовательности.

Таблица 3

Рассмотренные способы записи (или кодирования) обеспечивают возможность регистрации кода на носителе и его последующего восстановления при чтении в отсутствии помех; они могут приме­няться и в оптических ВЗУ. В реальных условиях для повышения достоверности данных используются специальные корректирующие коды. Подлежащая регистрации информация вначале кодируется с помощью корректирующего кода, затем этот код записывается на носитель тем или иным способом записи; при воспроизведении вначале восстанавливается корректирующий код и лишь затем — исходный. Выбор корректирующего кода определяется типом носителя, расположением информации на нем и наиболее вероятными ошибками.

Литература:

1. А.М. Ларионов «Периферийные устройства в вычислительных системах», стр.: 263-281.