2.1.5. Размер бита

Для пользователей ПК жесткий диск должен иметь максимальную емкость. Информация хранится единицами, которые называются битами. Каждый бит может быть нулем или единицей. Байт состоит из восьми бит. Например, в программе обработки текста байт представляет в документе один символ или форматирующий код. Емкость накопителя в битах зависит от числа имеющихся в нем поверхностей (сколько дисков и каковы их размеры) и от размера участка поверхности дли хранения одного бита. Биты записываются в виде элементов намагниченности магнитных полей вдоль дорожек, причем каждый элемент ориентирован вперед пли назад. При вращении диска под головкой ток в головке изменяется, что вызывает изменения записываемых магнитных полей. Можно для простоты считать, что при записи на дорожке укладываются постоянные магниты. На рис. 2.5 схематически показано, как выстраиваются магнитные частицы вещества на поверхности диска и как головка считывания-записи оставляет на дорожке намагниченные участки. (Конечно, в реальном накопителе число участков намного больше чем показано на рисунке.)

Размер (или площадь) бита есть произведение его ширины на длину. Ширина бита равна ширине дорожки или, упрощенно, ширине головки считывания-записи. Чтобы запись на одну дорожку не "перезаписывала" части соседних дорожек и чтобы головка не воспринимала информацию более чем с одной дорожки, приходится оставлять между дорожками небольшой промежуток. Такая буферная зона увеличивает площадь, занимаемую каждым битом, поэтому эффективная ширина бита равна расстоянию между дорожками, а не просто (несколько меньшей) ширине дорожки. Фактически дорожки несколько шире головок. Различие вызывается тем, что некоторые магнитные силовые линии, выходящие из зазора и воздействующие на участки поверхности диска, оказываются просто вблизи головки, а не точно под ней. Такое "растекание" влияет на точность считывания, если разместить головки слишком близко; чтобы избежать этого, задается минимальное расстояние между дорожками. В видеомагнитофонах для появления перекрестных помех взаимодействия соседних дорожек применяют две или более головок и выравнивают зазоры головок так, чтобы они не были параллельными (так называемое азимутальное выравнивание). Благодаря этому дорожки можно размещать почти вплотную. Такой способ в накопителях на жестких дисках не применяется, так как перемещение головок с дорожки на дорожку заставляет использовать одну и ту же головку для всех дорожек. В видеомагнитофонах, имеющих вращающуюся головку и спиральную подачу ленты, намного проще применять несколько головок с различно выравненными зазорами для соседних дорожек.

Описать длину бита несколько труднее. На нее влияют три фактора. Во-первых, имеется некоторый предел того, как близко можно размещать переходы магнитного поля вдоль дорожки. Во-вторых, для хранения бита информации может потребоваться больше чем длина одного перехода. Умножение минимальной длины магнитного "триггера" на требуемое число таких длин дае! абсолютно минимальную длину бита для каждого конкретного накопителя. В-третьих, у разработчиков накопителей могут быть веские причины для того, чтобы применять для хранения бита участки, большие абсолютно минимальною размера. Минимальная длина магнитного триггера записи г от сложной комбинации свойств магнитной поверхности диска, размера записывающего зазора сердечника головки и высоты полета головки над поверхностью. Требуемое для кодирования бита информации число таких длин зависит от способа кодирования данных в магнитные сигналы. Последний фактор даже при использовании минимального участка для бита определяется компромиссом между простотой и эффективностью конструкции накопителя и контроллера диска. Минимальная длина магнитного триггера. Насколько малой может быть длина магнитного триггера? Ответ на этот вопрос можно разделить на три части. Прежде всего приходится учитывать характер материала поверхности В накопителях с оксидным покрытием поверхность состоит из небольших частиц магнитного материала, находящихся в связующем веществе (Связующим веществом является специальная краска Обычная краска состоит из частиц окрашенного вещества, находящихся в материале, который приклеивается к окрашиваемому предмету. Краска для накопителей просто заменяет магнитный наполнитель окрашенным наполнителем ) В накопителях с металлическим покрытием поверхность представляет собой осажденную пленку чистого магнитного материала. Для любой поверхности существует минимальный участок, который можно намагнитить, этот участок называется зерном или доменом. Длина триггера не может быть меньше размера домена.

Второе ограничение на минимальное расстояние между магнитными переходами связано с последовательностью ориентации записанных участков. Отметим по рис 2 6,6, что у соседних участков с противоположной намагниченностью "северный полюс" находится рядом с другим "северным полюсом", а "южный полюс" — рядом с другим "южным полюсом". Биты на диске отталкивают друг друга, аналогично отталкиванию магнитов при их приближении, чем ближе расположены участки, тем сильнее магнитное поле одного участка (или бита) отталкивает соседние участки. Если участки оказываются слишком близко, поле одного участка может изменить поле соседнего участка, т е. два участка сольются Следовательно, минимальная длина триггера должна предотвращать такое событие. На рис 2 6,а показан объемный вид головки и дорожки; рис. 2.6,6 — увеличенный вид сбоку, а на рис 2 6,в показан график намагниченности поверхности (знак "+" означает вдоль дорожки, а знак "-" противоположное направление). На этих рисунках упрощенный способ кодирования данных. На практике применяются более сложные способы, которые рассматриваются в следующем разделе Третьим ограничивающим фактором является размер зазора сердечника головки. Обычно длина триггера делается, как минимум, равной ширине зазора Несмотря на потенциальную возможность записи меньших участков, это не рекомендуется, так как через обмотку могут одновременно проходить поля от нескольких участков, что затрудняет выделение магнитного поля каждого участка Кроме того, при записи на диск ток в обмотке намагничивает в одном направлении дорожку по всей длине зазора и может "перезаписать" соседние биты. Современная технология производства накопителей позволяет свести все эти пределы примерно к одной величине Поэтому размер домена поверхности, минимальный размер участков, которые не намагничивают друг друга, и ширина зазора головки оказываются сравнимыми друг с другом.

Минимальный размер участка покрытия диска, который намагничивается независимо, является одним из двух важнейших физических параметров носителя Вторым критическим параметром оказывается порог силы магнитного поля, необходимого для намагничивания покрытия поверхности (коэрцитивная сила). В течение многих лет ведутся исследования по управлению этими параметрами в процессе производства Минимальный размер независимо намагничиваемovo участка делается все меньше, что позволяет упаковать на единице длины дорожки все больше битов Коэрцитивная сила также повышается, что позволяет образовать на поверхности диска все больше устойчивых магнитных участков. Есть несколько способов образования магнитного покрытия поверхности В первых накопителях крошечные игольчатые частицы оксида железа смешивались с эпоксидным связующим веществом и наносились на поверхность диска Часто при отвердевании эпоксидной смолы диски вращались в поле сильного магнита и частицы выравнивались вдоль дорожек. Такой процесс обеспечивает намагниченность в плоскости поверхности диска в прямом или обратном направлении вдоль дорожки (см. рис 2.5). Дальнейшие исследования привели к покрытию из .почти чистого магнитного материала, который напылялся или осаждался на поверхность диска. Материал ориентируется так, что намагниченность оказывается такой же, как для поверхности с оксидным покрытием Достоинства металлических носителей состоят в том, что их можно сделать тоньше с получением сигналов той же силы. Уменьшение толщины позволяет сократить размеры участков для хранения информации. Оксидные поверхности обеспечивают плотность записи около 20 тыс битов на дюйм дорожки, и плотность металлических носителей в четыре раза больше Кроме того, для металлическою носителя можно применять более узкие головки, а это увеличивает число дорожек, в результате емкость диска с металлическим покрытием примерно в десять раз больше емкости диска с оксидным покрытием.

Два этих фактора ограничивают размер независимо намагничиваемого участка на поверхности диска (длину магнитного триггера) Способ кодирования данных определяет, сколько таких длин необходимо для хранения одного бита. Этот вопрос рассматривается в следующем разделе, пока нам достаточно знать, что для каждого бита требуется некоторое фиксированное число (необязательно целое) таких частков. Теоретическая и практическая плотность битов. Длину дорожки, используемую для хранения одного бита, можно назвать битовой ячейкой. Реальные битовые ячейки в дисковых накопителях не всегда столь малы, как они могли бы быть (т.е минимальная длина магнитного триггера, умноженная на число длин триггеров, необходимое для кодирования бита). Такая ситуация объясняется экономическими, а не физическими причинами. Дорожки около шпинделя короче внешних дорожек, т.е. на внешних дорожках для битов больше места. Это - физика. Поскольку шпиндель вращается с постоянной скоростью независимо от позиции блока головок (это не относится к некоторым накопителям на гибких дисках, которые, правда, в ПК не применяются), время прохода всей дорожки под головкой одинаково для всех дорожек. Более длинные внешние дорожки просто движутся под головкой быстрее. Другими словами, головка считывает данные без учета скорости движения диска. Головка воспринимает только частоту переходов магнитного поля. Битовые ячейки на краю длиннее, чем вблизи центра. Проще всего было бы считать длины всех дорожек одинаковыми. Каждая дорожка проходит под головкой одно и то же время. Электронные схемы считывания и записи не учитывают, какая дорожка проходит под головкой.

В приведенном рассуждении не затронут один важный момент. Если на каждую дорожку поместить одно и то же число битов, биты на внутренних дорожках окажутся ближе друг к другу. Для достижения максимальной емкости накопителя биты на внутренних дорожках "упаковываются" как можно плотнее. Иногда при очень плотном размещении бит возникает интересное явление Магнитные переходы сами по себе сближаются. Это явление называется битовым сдвигом или группированием импульсов. (Под магнитным переходом автор понимает границу между участком, намагниченным в одном направлении, и участком, намагниченным в другом направлении ) В зависимости от способа кодирования данных и конкретных записываемых данных можно заметить, чго биты сдвинуты больше обычного. Это явление приводит к тому, что сигналы от головки считывания возникают в неправильные моменты времени, и контроллер может не распознать информацию, записанную в этом месте диска. Приходится предвидеть битовый сдвиг и корректировать его еще до фактического появления. Подаваемые в головку записи сигналы вызывают изменения тока немного раньше или немного позже номинальных моментов Конкретный сдвиг каждою перехода за висит от многих факторов, но для каждого данного накопителя (с известным способом кодирования данных и фиксированными физическими свойствами) правила определены и хорошо изучены. Если позиционирование осуществляется точно, считанные сигналы возникнут точно там, где они и должны быть. Разработанный способ называется предкомпенсацней записи

Предкомпенсация записи требуется только для цилиндров, близких к шпинделю Биты на внешних цилиндрах размещены достаточно далеко, и битовый сдвиг не возникает. Наилучшая предкомпенсация должна быть некоторой функцией от номера цилиндра, но гораздо экономичнее ввести фиксированную величину для всех цилиндров, которые ближе к шпинделю, чем некоторое расстояние, а для остальных предкомпенсацию записи не применять. Старые контроллеры дисков предкомпенсировали записи для диапазона цилиндров по специальному запросу. Новые контроллеры осуществляют предкомпенсацию записи автоматически без участия пользователя. При построении гораздо более сложного накопителя или контроллера можно разместить на внешних дорожках больше битов, но это оказывается слишком дорогим. Именно здесь приходится учитывать экономические факторы. В дешевых накопителях небольшой емкости для персональных компьютеров число бит на каждой дорожке одинаково и не зависит от длины дорожки. При проектировании более дорогих и емких накопителен можно отойти от этого правила.

До недавнего времени почти во всех накопителях на каждой дорожке хранился фиксированный обьем информации (возможно, различный в разных накопителях), поэтому стандартные контроллеры дисков не допускали никакой другой возможности Следовательно, для размещения на внешних дорожках больше битов, чем на внутренних, требуется нестандартный контроллер. В накопителях с интерфейсами SCSI (Small Computer System Interface — интер фейс малых компьютеров) и IDE/AT A (Integrated Drive Electronics AT Attachment Интегрированная электроника накопителей/Подключение AT) применяются встроенные контроллеры (подробнее рассмотрены в главе 3.) Некоторые фирмы выпустили накопители с интерфейсами SCSI и IDE/ AT, в которых учтено, что внешние дорожки длиннее внутренних, и на внешних дорожках размещено больше данных При этом дорожки разделены на зоны Например, дорожки на внешней трети диска образуют зону #1, дорожки средней трети объединены в зону #2, а дорожки внутренней трети представляют зону #3. Объем данных на каждой трети внутри зоны постоянный, но в зонах различный Такой способ иногда называется зонной записью Он применяется в некоторых комбинациях накопитель/контроллер с MFM- или RLL-коднрованием, а также в жестких дисках со специальной платой Конечно, размер бита на поверхности диска зависит от конкретного накопителя, но обычно он находится в следующих диапазонах: длина по дорожке от 0,5 до 2,5 микрон, а ширина дорожки от 12 до 75 микрон. При этом минимальная площадь бита варьируется от 6 до 200 квадратный микрон Взяв обратную величину от приведенных чисел, можно найти поверхностную плотность она составляет от 5,000 до 170,000 бит на квадратный миллиметр. Чтобы сделать приведенные величины более наглядными, скажем, что площадь бита на поверхности диска примерно равна площади поперечного сечения человеческою волоса, а в максимальная плотность в современных жестких дисках примерно в 30 раз выше.