ZAPIS I ODCZYT INFORMACJI NA NOŚNIKACH MAGNETYCZNYCH.pdf

ZAPIS I ODCZYT INFORMACJI NA NOŚNIKACH

MAGNETYCZNYCH

Urządzenia do trwałego i częściowo trwałego przechowywania danych działają na

zasadzie zapisu magnetycznego lub optycznego, a w niektórych przypadkach

wykorzystywana jest kombinacja obu technik. W przypadku zapisu magnetycznego

strumień danych binarnych (logiczne zera i jedynki) jest zapisywany przez odpowiednie

magnesowanie małych cząstek metalu wbudowanych w powierzchnię dysku lub taśmy, co

powoduje utworzenie pewnego wzoru reprezentującego dane. Ten wzór magnetyczny może

zostać później odczytany i skonwertowany do postaci strumienia danych identycznego

z tym, który został użyty do utworzenia zapisu.

Zasada zapisu magnetycznego jest dla wielu ludzi trudna do zrozumienia, ponieważ pola

magnetyczne są niewidoczne dla ludzkiego oka. Ponieważ jednak dane zapisywane na

dyskach twardych, taśmach, dyskietkach i innych nośnikach zapisu magnetycznego są dużo

ważniejsze niż same nośniki, wiedza na temat sposobu przechowywania informacji pozwala

na większy komfort używania całego systemu, może być także pomocna w przypadku

wystąpienia problemów.

Wszystkie urządzenia korzystające z zapisu magnetycznego odczytują i zapisują

dane, korzystając z elektromagnetyzmu. Jedna z podstawowych zasad fizyki twierdzi, że

w czasie przepływu prądu przez przewodnik generowane jest wokół niego pole

magnetyczne. Należy zwrócić uwagę, że elektrony przepływają od elektrody ujemnej do

dodatniej, choć tak naprawdę uważa się, że przepływ prądu zachodzi w odwrotnym

kierunku. Pole magnetyczne generowane przez przewód może oddziaływać na materiał

magnetyczny znajdujący się w tym polu. Gdy zmieniony zostanie kierunek przepływy prądu

elektrycznego, polaryzacja pola magnetycznego zostanie odwrócona. Na przykład, silnik

elektryczny korzystający z elektromagnetyzmu wywiera naprzemienne siły pchające

i ciągnące na magnesy przytwierdzone do obracającej się osi.

Ponieważ elektromagnetyzm działa w obie strony, silnik może działać jako generator

i odwrotnie. To właśnie ta dwukierunkowa natura pola elektromagnetycznego sprawia że

możliwe jest zapisywanie informacji na dysku i ich późniejsze odczytywanie. W trakcie

zapisywania głowice zmieniają impulsy elektryczne na pole magnetyczne, natomiast

w czasie odczytu, głowice przekształcają zmiany pola magnetycznego na impulsy

elektryczne. Głowice zapisujaco-odczytujące w urządzeniu zapisu magnetycznego są

kawałkami materiału przewodzącego uformowanego w kształcie litery U, z obydwoma

końcami litery U umieszczonymi bezpośrednio ponad powierzchnią nośnika. Na głowicę

w kształcie litery U nawinięta jest cewka lub oplot z przewodu, przez który przepływa prąd

elektryczny. Układy sterujące napędu powodują przepuszczenie prądu przez cewkę

i wygenerowanie pola magnetycznego w głowicy napędu. Obrócenie kierunku przepływu

prądu elektrycznego powoduje również zmianę polaryzacji generowanego pola. Głowice są

tego rodzaju elektromagnesami, w których polaryzacja płynącego prądu może być bardzo

szybko zmieniana.

Rys. 1 Zasada zapisu na nośniku magnetycznym 1

Rys. 2 Zasada odczytu informacji z nośnika magnetycznego 2

Wojtuszkiewicz K – Urządzenia Techniki Komputerowej cz.II – Wydawnictwo Informatyczne MIKOM 2007 – str.70

Magnetowód wykonany z materiału magnetycznie miękkiego prowadzi w swoim

wnętrzu linie sił pola magnetycznego wytworzone przez przewodnik, przez który płynie

prąd. Szczelina w magnetowodzie powoduje powstawanie „bąbelka" linii sił pola

magnetycznego, które wnika w znajdujący się pod spodem nośnik magnetyczny (materiał

ferromagnetyczny), powodując jego stałe namagnesowanie (zaznaczone w przykładzie jako

NS). Zmiana kierunku prądu (zwanego prądem magnesującym) w przewodniku powoduje

magnesowanie nośnika w kierunku przeciwnym - SN.

Zjawisko wykorzystywane przy odczycie to powstawanie siły elektromotorycznej

w przewodniku znajdującym się w zmiennym polu magnetycznym.

Nośnik przesuwający się pod głowicą zostaje namagnesowany prądem zmieniającym

kierunek tak, jak to opisano w poprzednim przykładzie. W momencie zmiany kierunku

prądu także pole magnetyczne zmieniało kierunek, pomiędzy zmianami pozostając takie

samo. Jeżeli pod głowicą przesuwa się fragment nośnika, na którym nastąpiła zmiana pola,

przewodnik nawinięty na magnetowodzie znajduje się w zmiennym polu magnetycznym, co

powoduje wyindukowanie w nim impulsu prądu. Impulsy te wytwarzane są przy każdej

zmianie pola, przy czym kierunek impulsów zależy od kierunku zmian pola.

W głowicach zapisujących dla dysków twardych i dyskietek kształt przebiegu prądu

jest właśnie taki, jak opisano w przykładzie. Dlatego w głowicy odczytującej indukują się

impulsy prądu (w momentach zmian pola) o zmiennej polaryzacji (dodatnie i ujemne). Za

pomocą prostych układów elektronicznych można te impulsy wyprostować, czyli zamienić

je na impulsy o jednakowej polaryzacji (na przykład dodatnie).

Dysk lub taśma stanowiąca nośnik zapisu składa się z materiału podkładowego (na przykład

Mylar w dyskietkach i aluminium lub szkło w dyskach twardych), na które nałożona jest

warstwa materiału magnetycznego. Materiałem tym jest najczęściej tlenek żelaza

z dodanymi innymi elementami. Każda pojedyncza cząstka magnetyczna w nośniku posiada

własne pole magnetyczne. Gdy nośnik jest pusty, polaryzacja tych pól jest losowa.

Ponieważ pola poszczególnych cząstek wskazują w losowych kierunkach, każde małe pole

magnetyczne jest znoszone przez inne wskazujące w przeciwnym kierunku; powierzchnia

taka nie daje żadnej obserwowalnej polaryzacji pola magnetycznego. Suma wielu losowo

zorientowanych pól powoduje, że brak jest wspólnego obserwowalnego pola.

Gdy głowica napędu generuje pole magnetyczne, wypełnia ono szczelinę między wolnymi

końcami.

Ponieważ pole magnetyczne dużo łatwiej przechodzi przez przewodnik niż przez powietrze,

pole zagina się na zewnątrz i wykorzystuje powierzchnię nośnika pod szczeliną, polaryzując

cząstki magnetyczne, nad którymi jest przesuwane i układając je zgodnie z kierunkiem pola.

Polaryzacja lub kierunek pola — i przez to kierunek lub polaryzacja pola indukowanego

w polu magnetycznym —jest zgodna z kierunkiem przepływu prądu elektrycznego przez

cewkę. Wraz z rozwojem technologii zapisu magnetycznego odległość między głowicą

odczytująco-zapisującą a nośnikiem została bardzo mocno zmniejszona. Pozwala to na

zredukowanie szczeliny w głowicy jak również zastosowanie mniejszych domen

magnetycznych. Im mniejsze są zapisywane domeny magnetyczne, tym wyższa może być

gęstość danych zapisywanych na dysku. Gdy pole magnetyczne przenika przez nośnik,

cząstki w obszarze pod głowicą są ustawiane w kierunku wyznaczanym przez pole

emitowane z głowicy. Gdy poszczególne domeny magnetyczne są uporządkowane,

przestają się wzajemnie znosić i na tym obszarze nośnika można zaobserwować pole

magnetyczne. To lokalne pole magnetyczne jest generowane przez wiele cząstek, które po

uporządkowaniu działają w zespole, tworząc wykrywalne łączne pole o wspólnym

kierunku. Pole magnetyczne o określonym kierunku i polaryzacji nazywane jest

strumieniem. Gdy powierzchnia nośnika przesuwa się pod głowicą napędu, głowica

generuje strumień magnetyczny o określonej polaryzacji ponad wybranym regionem

nośnika. Gdy zamieniony zostanie kierunek prądu przepływającego przez cewkę nawiniętą

na głowicy, zmienia się polaryzacja pola lub strumienia w szczelinie głowicy. Zmiana

kierunku strumienia w głowicy powoduje również odwrócenie polaryzacji cząstek

magnetycznych w warstwie nośnika dysku. Odwrócenie strumienia zmienia polaryzację

ułożenia cząstek magnetycznych na powierzchni nośnika zapisu. Głowice napędu

wykorzystują odwrócenie strumienia w nośniku do zapisu danych. Dla każdego bitu danych

zapisywanych przez napęd, w nośniku tworzony jest wzorzec odwróceń strumienia

z dodatniego na ujemny i odwrotnie, nazywany również komórkami bitu lub komórkami

przejścia. Komórka bitu jest określonym obszarem nośnika — zależnym od czasu

i prędkości przesuwania się nośnika — w którym głowica zmienia strumień magnetyczny.

Określony wzorzec lub zmiany strumienia w komórce przejścia są używane do zapisania

bitu danych nazwany jest metodą kodowania. Układy logiczne napędu lub kontrolera

pobierają dane przeznaczone do zapisania i zamieniają je na serię zmian strumienia

w odcinku czasu, zgodnie z wzorcem narzuconym przez stosowaną metodę kodowania.

Sposoby kodowania informacji przy zapasie magnetycznym

Sposób kodowania informacji powinien zapewniać układom zapisującym

i odczytującym możliwość zakodowania:

 informacji użytecznej (danych, tekstów itp. w postaci ciągów zerojedynkowych),

 informacji synchronizującej odczyt z zapisem.

Wyjaśnijmy krótko, na czym polega potrzeba dołączenia informacji synchronizującej.

Impulsy w postaci zmian pola są zapisywane na wirującym krążku magnetycznym (zwanym

dyskiem) szeregowo, jeden za drugim (jako koncentryczne okręgi zwane ścieżkami, o czym

nieco później). Stabilność obrotów silnika napędzającego dysk nigdy nie jest idealna. Przy

zapisie i odczycie nośnik może więc przesuwać się pod głowicą z różną szybkością.

Informacja o tym, który fragment odczytujemy i jak szybko przesuwają się pod głowicą

kolejne zapisane impulsy, musi być zawarta w samym zapisie. Pozwoli to zsynchronizować

odczyt z zapisem (czyli odtworzyć przy odczycie tempo zapisywania impulsów).

Istnieją różne metody spełniające wymienione wymagania. Opisane zostaną przykładowo

trzy metody. W każdej z nich istotne jest z jednej strony zapewnienie możliwie dużej

gęstości zapisu, z drugiej zaś zapewnienie synchronizacji zapisu i odczytu. Fragmentami

przebiegu odczytywanego, które pozwalają dosynchronizować odczyt do zapisu, są

momenty pojawiania się impulsów prądu w głowicy odczytującej, odpowiadające

momentom zmian kierunku prądu w głowicy zapisującej. Jednym z ważnych parametrów

przy kodowaniu informacji na nośnikach magnetycznych jest częstotliwość zmian pola

magnetycznego (ang.flux density), a zatem także częstotliwość zmian kierunku prądu

w głowicy zapisującej. Decyduje ona, ile informacji jesteśmy w stanie umieścić na

„jednostkowym" odcinku nośnika, czyli decyduje o gęstości zapisu. Im mniej zmian prądu

przy tej samej ilości kodowanej informacji, tym lepsza metoda. Wynika to stąd, że

maksymalna liczba zmian pola na „jednostkowym" odcinku nośnika jest jego stałą fizyczną

(zależy od jego jakości, jednak istnieje wartość graniczna, której nie da się przekroczyć).

Z drugiej jednak strony, długie okresy braku zmian tego prądu oznaczają brak informacji

synchronizującej, co jest niedopuszczalne, gdyż grozi rozsynchronizowaniem odczytu

z zapisem. Opisane metody kodowania są więc pewnym kompromisem pomiędzy tymi

dwoma wymaganiami.

Przedstawione zostaną trzy metody kodowania:

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: