74 硬磁盘存储设备.ppt

1、7.4 硬磁盘存储设备,7.4.1 磁记录原理与记录方式 计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓磁表面存储，是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存储信息。磁盘存储器、磁带存储器均属于磁表面存储器。 磁表面存储器的优点：(1)存储容量大，位价格低；(2)记录介质可以重复使用； (3)记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机 存档；(4)非破坏性读出，读出时不需要再生信息 。 磁表面存储器的缺点：存取速度较慢，机械结 构复杂，对工作环境要求较高。 磁表面存储器由于存储容量大，位成本低，在 计算机系统中作为辅助大容量存储器使用，用以存 放系统软件、大型文件、数据库等大量程序与数据

2、 信息。 1.磁性材料的物理特性 在计算机中，用于存储设备的磁性材料，是一种 具有矩形磁滞回线的磁性材料。这种磁性材料在外 加磁场的作用下，其磁感应强度H和外加磁场D的关 系,可用矩形磁滞回线来描述，如图7.9所示。 从磁滞回线可以看出，磁性材料被磁化以后，工 作点总是在磁滞回线上。 图7.10 磁性材料的磁滞回线,只要外加的正向脉冲电流(即外加磁场)幅度足够大，那么在电流消失后磁感应强度B并不等于零，而是处在+Br状态(正剩磁状态)。反之，当外加负向脉冲电流时，磁感应强度B将处在-Br状态(负剩磁状态)。这就是说，当磁性材料被磁化后，会形成两个稳定的剩磁状态，就像触发器电路有两个稳定的状态一

3、样。如果规定用+Br状态表示代码“1”，-Br状态表示代码“0”，那么要使磁性材料记忆“1”，就要加正向脉冲电流，使磁性材料正向磁化；要使磁性材料记忆“0 ”，则要加负向脉冲电流，使磁性材料反向磁化。磁性材料上呈现剩磁状态的地方形成了一个磁化元或存储元，它是记录一个二进制信息位的最小单位。 2.记录方式 实际应用中，磁性材料写入二进制代码0或1，是靠不同的写入电流波形来实现的。形成不同写入电流波形的方式，称为记录方式。记录方式是一种编码方式，它按某种规律将一串二进制数字信息变换成磁层中相应的磁化元状态，用读写控制电路实现这种转换。在磁表面存储器中，由于写入电流的幅度、相位、频率变化不同，从而形

4、成了不同的记录方式。这些记录方式可分为归零制（RZ）、不归零制（NRZ）、调相制（PM）和调频制（FM）几大类。每类中由于方案改进又演变出若干派生方案。这些记录方式中代码0或1的写入电流波形示于图7.11中。 归零制（RZ）记录方式的特点，正向电流代表1，负向电流代表0，不论某存储元记录的代码是O或1，在记录下一个信息之前，记录电流要恢复到零电流（即没有电流）。这种记录方式简单易行，但记录密度低，抗干扰能力差，往往把各种干扰的电流信号也同时记入。,不归零制（NRZ0）记录方式的特点是，磁头线圈中始终有电流，不是正向电流（代表1）就是反向电流（代表0），因此不归零制记录方式的抗干扰性能较好。 见

5、“1”就翻不归零制（NRZ1）与 NRZ0制相同之处是磁头线圈中始终有电流通过。不同处在于，记录“ 0”时电流方向不变，只有遇到“ 1”时才改变方向。 调相制（PM）记录方式的特点是，在一个位周期的中间位置，电流由负到正为l，由正到负为0，即利用电流相位的变化进行写“ l”或写“ 0”，所以通过磁头中的电流方向一定要改变一次。这种记录方式中“ 1”和“ 0”的读出信号相位不同，抗干扰能力较强。另外读出信号经分离电路可提取自同步定时脉冲，所以具有自同步能力。磁带存储器中一般采用这种纪录方式。 调频制记录方式的特点如下：（1）无论记录的代码是1或0，或者连续些“1”或写“0”，在相邻两个存储元交界

6、处电流都要改变方向；（2）记录1时电流一定要在位周期中间改变方向，写“1”电流的频率是写“0”电流频率的2倍，故称为倍频法。这种纪录方式的优点是记录密度高，具有自同步能力。FM目前主要用于单密度磁盘存储器。 改进调频制（MFM）与调频制的区别在于只有连续记录两个或两个以上“0”时，才在位周期的起始位置翻转一次，而不是在每个位周期的起始处都翻转，因而进一步提高了记录密度。MFM主要用于双密度磁盘存储器。 除了上述几种记录方式外，还有游程长度受限码RLLC、成组编码GCR等记录方式。RLLC的编码实质是将原始数据序列变换成“O”、“1”受限制的记录序列，其编码规则是先把输入信息序列变换为“o”游程

7、长度受限码，即任何两位相邻的“ 1”之间的“0”的最大位数k和最小位数d均受到限制的新编码，然后再用NRZ1制方式进行调制和写入该码具有自同步能力，正确设计k，d值，可获得优良的编码性能，因而在近几年发展的高密度磁盘中得到了广泛应用。 磁带机上使用的成组编码GCR（5，4）实质上也是一种RLLC，从而使磁带机的存储密度大大提高,不同的记录方式具有不同的特点，评价一种记录方式优劣的标准是编码效率、自同步能力、检读分辨力、信息相关性、抗干扰能力、信道带宽、编码泽码电路的复杂性等。 编码效率是指位密度与最大磁化翻转密度之比，也就是指每次磁层状态翻转所存储数据信息位的多少。例如 FM，PM记录方式中记

8、录一位数字信息的最大磁化翻转次数为2，因此编码效率为 50。而 MFM，NRZ，NRZ1；中由于纪录一位数字信息磁化翻转最多1次，故它们的编码效率为 100。 自同步能力是指从读出数据（脉冲序列）中自动提取同步信号（时间基准信号）的能力。自同步能力的大小可以用最小磁化翻转间隔与最大磁化翻转间隔的比值R来衡量。R越大，自同步能力越强。例如NRZ，NRZ1没有自同步能力，而PM，FM，MFM记录方式具有自同步能力。其中FM记录方式的最大磁化翻转间隔是位周期T，最小磁化翻转间隔是T/2，因此R=0.5。 简读分辨力是指磁记录系统对读出信号的分辨能力， 信息相关性是指漏读或错读一位是否会传播误码，所以

9、是衡量精度的指标。 3磁表面存储器的读写原理 在磁表面存储器中，利用一种称为“磁头”的装置来形成和判别磁层中的不同磁化状态。换句话说，写入时，利用磁头使磁体（盘片）具有不同的磁化状态，而再读出时又利用磁头来判别这些不同的磁化状态。磁头实际上是软磁材料作铁芯绕有读写线圈的电磁铁，如图7.12所示。,（1）写操作 当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时，铁芯内就产生一定方向的磁通。由于铁芯是高导磁率材料，而铁芯空隙处为非磁性材料，故在铁芯空隙处集中很强的磁场。如图712所示，在这个磁场作用下，载磁体就被磁化成相应极性的磁化位或磁化元。若在写线圈里通人相反方向的脉冲电流，就可得到相反极性的磁化元。如果我

10、们规定按图中所示电流方向为写“1”，那么写线圈里通以相反方向的电流时即为写“0”。上述过程称为“写入”。显然，一个磁化元就是一个存储元，一个磁化无中存储一位二进制信息。当载磁体相对于碰头运动时，就可以连续写入一连串的二进制信息。 （2）读操作 如何读出记录在磁表面上的二进制代码信 息呢？也就是说，如何判断载磁体上信息的 不同剩磁状态呢？ 当磁头经过载磁体的磁化无时，由于磁头 铁芯是良好的导磁材料，磁化元的磁力线很 容易通过磁头而形成闭合磁通回路。不同极 性的磁化元在铁芯里的方向是不同的。当磁 头对载磁体作相对运动时，由于磁头铁芯中 图7.12 磁头在磁表面存储信息的原理 磁通的变化，使读出线圈中感应出相应的电动势e,其值为 e = -k*d/dt,负号表示感应电势的方向与磁通的变化方向相反。不同的磁化状态，所产生的感应电势方向不同。这样，不同方向的感应电势经读出放大器放大鉴别，就可判知读出的信息是“1”还是“0”。书上图7.13示出了归零制记录方式的写读过程波形图。 归纳起来，通过电-磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，可把一位二进制代码转换成载磁体存储元的不同剩磁状态；反之，通过磁-电变换，利