Модифицированная частотная модуляция

В первых ленточных и дисковых накопителях применялось FM-кодирование; че­рез некоторое время инженеры и математики нашли способ удвоить эффективность системы. Сравнительно простой вариант FM-кодирования ранее назывался кодиро­ванием с двойной плотностью, а сейчас называется модифицированной частотной модуляцией или MFM-кодированием, и наиболее распространен в дисковых накопи­телях для персональных компьютеров.

Дискеты с маркой DSDD имеют две рабочие стороны (Double-Sided) и рассчитаны на двойную плотность (Double-Density) коди­рования. Такое кодирование данных применяется во всех накопите­лях на гибких дисках и применялось в первом накопителе на жест­ких дисках для компьютера IBM PC/XT. Отметим, что в MFM-кодировании переходы синхронизации требуются только при отсутствии близко расположенных переходов данных. Следова­тельно, большинство сигналов синхронизации можно убрать и все-таки надежно знать, какие переходы несут данные, а какие — информацию о синхронизации.

На рис. 2.7,в показано изменение намагниченности для того же набора данных, что и на рис. 2.7,6. Изменения сверху вниз или наоборот показывают переходы по­ля. На рис. 2.7,г показаны импульсы напряжения, возникающие в головке считыва­ния.

Отметим, что на рис, 2.7,6 имеется переход (синхронизации) в начале каждой битовой ячейки и еще один переход в середине бито­вой ячейки, который хранит двоичную единицу. В MFM-кодирова­нии просто убирается максимум переходов синхронизации, но с возможностью восстановления записанных данных. Правило MFM-кодирования формулируется довольно просто. В

FM-кодировании убираем все импульсы синхронизации, кроме случая, когда данная и предыдущая ячейки содержат двоичные нули. Все битовые ячейки, хранящие еди­ницы, и ячейки сразу после них достаточно близки к переходу, поэтому только для синхронизации дополнительных переходов не нужно.

Правило отделения при считывании сигналов синхронизации и данных также до­вольно простое. Необходимо различать только сигнал в начале битовой ячейки (это импульс синхронизации между двумя нулевыми битами) от сигнала в середине ячей­ки, означающего двоичную единицу.

Минимальное и максимальное расстояния переходов в этом способе кодирования данных в два раза больше, чем в FM-кодировании. Минимальный промежуток удва­ивается, а данные в MFM-кодировании требуют вдвое меньше длины дорожки — от­сюда и появился термин "двойная плотность". FM-кодирование имеет только две ча­стоты (f и 2f), а в MFM-кодировании есть три частоты (f, 1.5f и 2f). Требование то­го, чтобы контроллер различал больше частот, означает, что электронные схемы и дисковые двигатели должны быть стабильнее, чем в FM-кодировании; оказалось, что удовлетворить это требование не так сложно.

RLL-кодирование

Оказалось, что, несмотря на популярность и эффективность, MFM-кодирование не самый эффективный способ кодирования данных. В MFM-кодировании размер битовой ячейки уменьшается до минимальной длины магнитного триггера, но можно достичь лучшего результата при дальнейшем сокращении числа сигналов синхрони­зации. Степень сокращения зависит от постоянства скорости вращения диска и от точности выделения импульсов, поступающих от головки считывания.

Разработчики дисковых систем проверили много способов снижения среднего числа импульсов синхронизации на бит данных и соответствующего повышения мак­симальной плотности битов на поверхности диска. Наибольшее распространение, по крайней мере, для жестких дисков PC, получило так называемое кодирование с ог­раниченной длиной отрезка или RLL-кодирование. В этом способе совершенно нет сигналов синхронизации! Это стало возможно при записи на диск наборов, которые отличаются от наборов сохраняемых данных. При правильном выборе записываемых наборов контроллер при считывании данных может "обратить" этот процесс.

Математики и инженеры считают способ 2,7 RLL разновиднос­тью записи с групповым кодированием (Group-oded Recording — GCR). Идея группового кодирования состоит в том, что группа би­тов данных заменяется большей группой записываемых битов.

Обычная форма способа 2,7 RLL относится к кодированию GCR с переменной длиной. Другими словами, размер групп заменяющих битов зависит от фактических битов данных.

RLL-кодирование использует два ограничения на любой набор переходов магнит­ных полей, которые можно записать на поверхности диска. Во-первых, переходы магнитного поля не должны следовать чаще, чем минимальная длина магнитного триггера (этим предотвращается риск стирания предшествующего магнитного поля при записи нового). Во-вторых, промежутки без переходов не должны быть столь длинными, чтобы контроллер диска потерял текущую позицию на диске.

Таким образом, для переходов магнитного поля имеются максимальная и мини­мальная допустимые частоты. (Другими словами, в терминах расстояний по дорожке между переходами магнитного поля имеются максимальная и минимальная допусти­мые длины промежутка или "отрезка" без переходов. Кодирование RLL и означает, что эти "отрезки" дорожки между переходами ограничены верхней и нижней величи­нами.)

В RLL-коднрованин, как и в FM- и MFM-кодировании, перехо­ды происходят только в начале или середине любой битовой ячейки. Вместо простого преобразования поступающих битов данных в пере­ходы контроллер анализирует их небольшими группами, и для каж­дой группы сохраняется специально подобранная последователь­ность переходов и отсутствий переходов. Далее буква Т (Transition)

означает переход, а буква О (Open) -- пустой участок. По дорожке переходы Т и пустые участки О занимают точно половину битовой ячейки.

В 2,7 RLL-кодировании последовательности Т и О необходимо выбрать так, что­бы независимо от поступающего потока данных всегда было минимум два и никогда не больше семи О между любыми двумя Т. При выполнении этого правила мини­мальное расстояние между переходами равно трем полубитовым ячейкам, а макси­мальное восьми.

На рис. 2.8 показана схема формирования последовательности Т и О из входного потока двоичных данных. Обратим внимание на показанные справа последователь­ности: некоторые из них начинаются с Т, а другие перед Т имеют несколько О. Часть последовательностей имеет внутри более одного Т, но всегда между последова­тельными Т есть минимум два О. Наконец, каждая последовательность имеет в конце минимум два О. В этом случае независимо от способа объединения последова­тельностей всегда между двумя соседними Т будет минимум два О.

Кроме того, из рис. 2.8 видно, что ни в одной последовательности нет более трех О в конце и более четырех О в начале. Следовательно, между двумя соседними Т никогда не может быть более семи О.

Схема преобразования двоичного потока данных в магнитные переходы Т и промежутки между ними О в ?,7 RLL-кодировании

Каждая последовательность Т и О имеет точно в два раза больше знаков, чем на­бор кодируемых единиц и нулей. Поскольку от О до Т минимум три знака, то в ми­нимальную длину магнитного триггера можно поместить три знака. Поскольку два знака равны одному биту, размер битовой ячейки сокращается до двух третей длины триггера. Такой размер позволяет накопителю разместить в полтора раза (150%) больше битов на длине дорожки, чем в MFM-кодировании, и в три раза больше битов, чем в FM-кодировании.

Таким образом, в RLL-кодировании специальные наборы переходов заменяют фактические записываемые наборы данных. Наборы выбраны так, чтобы отношение максимального промежутка между переходами поля к минимальному было как 8 к 3. Применение такого способа позволяет в том же пространстве сохранить па 50°о больше данных. Большинство жестких дисков вращаются с одинаковой скоростью, на запись и считывание одной и той же информации уходит только две трети вре­мени. На рис. 2.7,д показано, как выглядит RLL-кодирование одного и того же байта по сравнению с другими способами кодирования. Несмотря на возможность улучшения RLL-кодирования, этот процесс оказывается непростым и недостаточно надежным для большинства пользователей. Как всегда, на практике RLL-кодирова­ние встречает определенные ограничения.

Поскольку в RLL-кодировании переходы магнитного поля оказываются не ближе, чем в MFM-кодированпи, многие полагают, что можно применять MFM-накопитель как RLL-накопитель, просто подключив к MFM-накопнтелю RLL-контроллер. К со­жалению, при первом появлении на рынке несколько лет назад для надежного при­менения RLL-кодированпя пришлось усложнить электронику жестких дисков и кон­троллера. Накопители и контроллеры довольно часто и. с драматическими послед­ствиями отказывали.

С тех пор фирмы-производители RLL-контроллеров разработали лучшие методы, а производители накопителей стали более жестко тестировать своп изделия. В ре­зультате сейчас появились накопители, "сертифицированные для RLL-кодпрования", а других пока нет. Объединение RLL-сертифицированного накопителя с rll- контроллером оказывается довольно надежным устройством.

До введения тестирования на RLL-совместимость у вас была ве­роятность примерно в 50°'о на то, "что MFM-иакопитель мог прием­лемо работать с RLL-контроллером. Почти все такие накопители сейчас маркируются как "допускающие RLL"; по-видимому, все на­копители, маркированные MFM, совместимостью с RLL не облада­ют.