История развития устройств хранения данных на магнитных носителях

История развития устройств хранения данных на магнитных носителях 
 
Долгое время основным устройством хранения данных в компьютерном мире были перфокарты (картонные листы с отверстиями, соответствующими определенным символам или двоичным данным), введенные еще в 1890 году Германом Холлеритом для счетной машины Census. Больше всего меня потрясло то, что я перестал использовать перфокарты всего за один год, когда взял академотпуск в колледже и занимался на компьютерных курсах. Тогда мне казалось, что использование перфокарт было больше связано с вопросами финансирования (в 1979 году уже достаточно редко можно было встретить устройства чтения перфокарт) и отсутствием четкого понимания современных технологий. Хотя в компьютерном мире перфокарты отжили свое, они в том или ином виде продолжали использоваться в различных старых системах подсчета голосов. 
 
История развития устройств хранения данных на магнитных носителях возвращает нас к далекому июню 1949 года, когда группа инженеров и исследователей компании IBM приступила к разработке нового устройства хранения данных. Именно это и стало точкой отсчета в истории развития магнитных устройств хранения данных, которые буквально взорвали компьютерный мир. 21 мая 1952 года IBM анонсировала модуль ленточного накопителя IBM 726 для вычислительной машины IBM 701. 
 
Четыре года спустя, 13 сентября 1956 года, небольшая команда разработчиков все той же IBM объявила о создании первой дисковой системы хранения данных — 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control — метод произвольного доступа для подсчета и управления). 
 
Эта система могла хранить 5 млн. символов (5 Мбайт) на 50 дисках диаметром 24 дюйма (около 61 см). В отличие от ленточных устройств хранения данных, в системе RAMAC запись осуществлялась с помощью головки в произвольное место поверхности диска. Такой способ заметно повысил производительность компьютера, поскольку данные записывались и извлекались намного быстрее, чем при использовании ленточных устройств. 
 
Магнитные устройства хранения данных прошли полувековой путь от RAMAC до современных жестких дисков емкостью 1 Тбайт и размером 3,5 дюйма. 
 
Вклад компании IBM в развитие устройств хранения на магнитных носителях сложно переоценить. Практически все устройства (от накопителей на магнитной ленте до гибких и жестких дисков) были созданы в исследовательских центрах IBM. К примеру, команда разработчиков под руководством Алана Шугарта в 1971 году представила накопитель на гибких дисках диаметром 8 дюймов. 
 
Кроме того, IBM впервые разработала схемы кодирования данных MFM (Modified Frequency Modulation — изменяемая модуляция частоты) и RLL (Run Length Limited — ограничение длины поля записи), головки накопителей (тонкопленочные и семейство магниторези-стивных), технологии накопителей PRML (Partial Response Maximum Likelihood — частичный ответ с максимальным правдоподобием) и S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology — технология самотестирования и анализа). Сегодня совместное предприятие компаний IBM и Hitachi (называемое Hitachi Global Storage Technologies) остается одним из лидеров в разработке и реализации новых дисковых технологий и уступает по объему продаж жестких дисков только компании Seagate Technology. 
 
Как магнитное поле используется для хранения данных 
 
В основе работы магнитных носителей — накопителей на жестких и гибких дисках — лежит такое явление, как электромагнетизм. Оно было открыто датским физиком Гансом Кристианом Эрстедом в 1819 году. Суть открытия состоит в том, что при пропускании через проводник электрического тока вокруг него образуется магнитное поле (рис. 8.1). Обратите внимание, что электроны протекают от отрицательного заряда к положительному, хотя мы обычно думаем, что все происходит наоборот. 
 
Направление тока 
 
Рис. 8.1. При пропускании тока через проводник вокруг него образуется магнитное поле 
 
Эрстед обнаружил, что стрелка компаса отклоняется от направления на север, когда компас находится около катушки проводов, в которой генерируется электрический ток. Когда ток отключался, положение стрелки снова совпадало с линиями магнитного поля Земли и стрелка указывала на север. 
 
Создаваемое поле воздействует на оказавшееся в нем ферромагнитное вещество. При изменении направления тока полярность магнитного поля также изменяется. Явление электромагнетизма используется в электродвигателях для генерации сил, воздействующих на магниты, которые установлены на вращающемся валу. 
 
Однако существует и противоположный эффект: в проводнике, на который воздействует переменное магнитное поле, возникает электрический ток. При изменении полярности магнитного поля изменяется и направление электрического тока (рис. 8.2). 
 
 
 
 
Рис. 8.2. При перемещении проводника в магнитном поле генерируется электрический ток 
 
Например, внутри обмоток генератора электрического тока, который используется в автомобилях, есть ротор с катушкой возбуждения, при вращении которой в обмотках генератора возникает электрический ток. Благодаря такой взаимной "симметрии” электрического тока и магнитного поля существует возможность записывать, а затем считывать данные на магнитном носителе. 
 
Головка чтения/записи в любом дисковом накопителе состоит из U-образного ферромагнитного сердечника и намотанной на него катушки (обмотки), по которой может протекать электрический ток. При пропускании тока через обмотку в сердечнике (магнитопроводе) головки создается магнитное поле (рис. 8.3). При переключении направления протекающего тока полярность магнитного поля также изменяется. В сущности, головки представляют собой электромагниты, полярность которых можно очень быстро изменить, переключив направление пропускаемого электрического тока. 
 
Обмотка 
 
 
 
Рис. 8.3. Головка чтения/записи 
 
Гибкие магнитные диски обычно производятся на лавсановой, а жесткие — на алюминиевой или стеклянной подложке, на которую наносится слой ферромагнитного материала. Рабочий слой в основном состоит из окиси железа с различными добавками. Магнитные поля, 
 
создаваемые отдельными доменами на чистом диске, ориентированы случайным образом и взаимно компенсируются на любом сколько-нибудь протяженном (макроскопическом) участке поверхности диска, поэтому его остаточная намагниченность равна нулю. 
 
Магнитное поле в сердечнике частично распространяется в окружающее пространство благодаря зазору, "пропиленному” в основании буквы U. Если вблизи зазора располагается ферромагнетик (рабочий слой носителя), то магнитное поле в нем локализуется, поскольку подобные вещества обладают меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух. Магнитный поток, пересекающий зазор, замыкается через носитель, что приводит к поляризации его магнитных частиц (доменов) в направлении действия поля. 
 
Магнитное поле, генерируемое головкой чтения/записи, "перескакивает” зазор между концами U-образного сердечника. Пройти по проводнику значительно легче, чем преодолеть воздушную прослойку, поэтому магнитное поле отклоняется от конца сердечника, используя поверхность близлежащего ферромагнитного носителя в качестве кратчайшего пути к другому концу магнита. При прохождении поля через рабочий слой, находящийся непосредственно под сердечником, происходит поляризация магнитных частиц, что приводит к их ориентации по направлению действия магнитного поля. Полярность или направление поля, в частности поля, которое индуцируется в среде магнитного носителя, определяется направлением электрического тока, проходящего через обмотку. Смена направления электрического тока приводит к изменению полярности магнитного поля. 
 
Расстояние между головкой чтения/записи и поверхностью носителя с развитием магнитных запоминающих устройств постоянно сокращалось. Это позволило значительно уменьшить величину зазора между концами сердечника и размер записываемого магнитного домена, а уменьшение размера домена, в свою очередь, позволило повысить плотность записи данных, хранящихся на диске. 
 
При прохождении магнитного поля через носитель частицы, оказавшиеся под зазором сердечника, ориентируются по направлению действия поля, которое индуцируется головкой чтения/записи. Когда отдельные магнитные домены частиц выстраиваются в определенном направлении, их магнитные поля прекращают компенсировать друг друга, что приводит к появлению на этом участке отчетливого магнитного поля. Это локальное поле генерируется множеством магнитных частиц, которые в данном случае функционируют как одно целое, создавая общее поле, имеющее единое направление. 
 
Итак, в результате протекания переменного тока импульсной формы в обмотке головки чтения/записи на вращающемся диске образуется последовательность участков с различной по знаку (направлению) остаточной намагниченностью. Причем наиболее важными в аспекте последующего воспроизведения записанной информации оказываются те зоны, в которых происходит смена направления остаточного магнитного поля или просто зоны смены знака. 
 
Магнитная головка записывает данные на диск, размещая на нем зоны смены знака. При записи каждого бита (или битов) данных в специальных областях на диске располагаются последовательности зон смены знака. Эти области называются битовыми ячейками. Таким образом, битовая ячейка — это специальная область на диске, в которой головка размещает зоны смены знака. Геометрические размеры такой ячейки зависят от тактовой частоты сигнала записи и скорости, с которой перемещаются друг относительно друга головка и поверхность диска. Ячейка перехода — это область на диске, в которую можно записать только одну зону смены знака. При записи отдельных битов данных или их групп в ячейках формируется характерный "узор” из зон смены знака, зависящий от способа кодирования информации. Это связано с тем, что в процессе переноса данных на магнитный носитель каждый бит (или группа битов) с помощью специального кодирующего устройства преобразуется в серию электрических сигналов, не являющихся точной копией исходной последовательности импульсов. 
 
Примечание 
 
Сегодня самыми распространенными способами кодирования являются модифицированная частотная модуляция (Modified Frequency Modulation --- MFM) и кодирование с ограничением длины поля записи (Run Length Limited ---- RLL). Для записи на гибкие диски используется метод MFM, а на жесткие --- MFM и несколько вариантов метода RLL. Подробнее о способах кодирования речь идет несколько ниже. 
 
При записи напряжение прилагается к головке, и по мере изменения его полярности регистрируемая полярность магнитного поля также изменяется. Зоны смены знака записываются (регистрируются) в тех точках, в которых происходит изменение полярности. Это может показаться странным, но во время считывания головка выдает не совсем тот сигнал, который был записан; вместо этого она генерирует импульс напряжения, или выброс, только в тех точках, в которых пересекает зону смены знака. Когда знак меняется с положительного на отрицательный, генерируется отрицательный выброс; в противном случае — положительный. Этот эффект является следствием того, что ток, генерируемый в обмотке, пересекает линии магнитного поля под углом. Так как головка перемещается параллельно линиям магнитного поля, созданного ею на носителе, в ней генерируется ток только в том случае, если она пересекает зону смены знака. 
 
В сущности, во время считывания информации с диска головка ведет себя, как детектор зон смены знака, выдавая импульсы напряжения при каждом пересечении такой зоны. На тех участках, где не происходит смены знака, импульсы не генерируются (выбросы отсутствуют). На рис. 8.4 в графическом виде представлена взаимосвязь между формами импульсов (сигналов) во время считывания и записи и зонами смены знака, записанными на диске. 
 
 
 
Рис. 8.4. Запись и считывание информации с магнитного диска 
 
Записываемые данные представляют собой волновые импульсы прямоугольной формы, соответствующие положительным или отрицательным значениям напряжения, которые приводят к поляризации магнитного носителя в том или ином направлении. Когда меняется полярность напряжения, остаточная намагниченность диска также изменяет полярность. Во время считывания головка регистрирует зоны смены знака и выдает соответствующие импульсы. Другими словами, сигнал соответствует нулевому напряжению, если не обнаружены переходы от положительного знака к отрицательному или наоборот. Импульсы появляются только в тех случаях, когда головка пересекает зоны смены знака на магнитном носителе. Зная тактовую частоту, схема устройства или контроллера определяет, попадает ли импульс (и, следовательно, зона смены знака) в данную ячейку перехода. 
 
Амплитуда сигнала, поступающего с головки при считывании, очень мала, поэтому проблема шумов и помех является достаточно острой. Для усиления сигнала по отношению к шуму используются высокочувствительные устройства. После усиления сигнал поступает на декодирующие схемы, которые предназначены для восстановления потока данных, теоретически идентичного потоку, поступавшему на накопитель при выполнении записи. 
 
Итак, запись и считывание информации с диска основаны на принципах электромагнетизма. При записи данных на диск электрический ток пропускается через электромагнит (головку устройства), в результате чего создаются зоны намагниченности, которые и сохраняются на диске. Данные считываются с диска при перемещении головки над его поверхностью; при этом головка регистрирует изменения в зонах намагниченности и в результате генерирует слабые электрические сигналы, указывающие на наличие или отсутствие зон смены знака в записанных сигналах.