РОЗДІЛ 1. Магнітний запис та читання інформації.

Тривалий час в якості основного пристрою зберігання даних в обчислювальній техніці використовувались перфокарти і перфострічки. Вперше їх застосували в програмованих ткацьких станках у 1725 році. В обчислювальних машинах СРСР середини ХХ століття найбільшого поширення отримала 80-колонкова перфокарта (див. рис. 1.1). Кожна колонка кодувала 1 байт. 8 із 80 байтів були службовими. Стандартні розміри перфокарти становили 187,4х82,5 мм, а швидкість їх обробки - 2000 карт за 1 хвилину. Зчитування даних з перфокарт здійснювалось за допомогою фотоелементів.

Лише в 1949 році група інженерів компанії ІВМ розпочала розробку нового пристрою зберігання даних – магнітного носія. В основу принципу запису, зберігання і читання інформації було покладено явище намагнічування шару феромагнітного матеріалу (робочого шару), нанесеного на немагнітну основу. Це явище використовувалось в ЕОМ першого покоління, широко застосовується воно і в даний час. Пояснюється це наступними його перевагами:

• малою вартістю зберігання 1 біта інформації;

• простотою запису і зчитування;

• великою щільністю зберігання інформації.

Рис. 1.1.

1.1. Фізичні основи принципу запису на магнітний носій та читання з нього.

В основі магнітного запису лежить явище зберігання залишкової намагніченості феромагнітного робочого шару. Магнітний запис перетворює інформацію, закладену в якусь часову функцію F₁(t), в інформацію зафіксовану на магнітному носієві у вигляді функції, залежної від координат, в найпростішому випадку від однієї координати F₂(х). Зазвичай функція F₁(t) задається у вигляді змінного в часі струму i(t). Цей струм протікає через прилад, який називається головкою магнітного запису, а точніше через її обмотку. Найпростіша головка запису представлена на рис. 1.2.

Рис. 1.2.

Осердя такої головки повинне бути виготовленим з феромагнетику з якомога вужчою петлею гістерезису (наприклад, м’якого заліза). На осердя одягнена котушка. В обчислювальних машинах струм не є неперервний, а подається на котушку у вигляді коротких імпульсів. В котушці виникає магнітний потік Ф(t), який поширюється по осердю і попадає в його щілину – зазор між торцями осердя. Цієї частини осердя торкається рухомий робочий феромагнітний шар носія, що рухається з деякою швидкістю  відносно головки. Струм i(t), що протікає по обмотці, створює змінне магнітне поле з індукцією В(t), яка, при умові вузькості петлі гістерезису матеріалу осердя, достатньо точно повторює закон зміни струму i(t). Магнітне поле, розсіюючись в зазорі осердя, проникає всередину феромагнітного робочого шару, намагнічуючи його. Величина і напрямок вектора залишкової намагніченості М залежать від координати х і представляє функцію F₂(х), що несе записану інформацію. Оскільки х=t, то умовою неспотвореної інформації є:

, (1)

де , β, γ – постійні коефіцієнти.

Очевидно, що умова (1) може бути виконана лише приблизно із-за складного гістерезисного характеру кривої намагнічення робочого шару.

Для відтворення інформації магнітного запису служить головка читання, яка, якщо не вдаватися в деталі, аналогічна головці запису (див. рис.1.3).

Рис. 1.3.

При проходженні феромагнітного робочого шару, намагніченого за законом F₂(t), біля зазору головки читання зі швидкістю  потік магнітної індукції Ф, що пронизує обмотку котушки, змінюється в першому наближенні за законом , де k – постійний коефіцієнт пропорційності. Згідно з законом Фарадея в котушці головки виникає електрорушійна сила (е. р. с.) індукції ε_і:

,

при чому кожному відтвореному імпульсу відповідає два імпульси ε_і(t) різної полярності. Індукційний струм котушки і_і(t), що відповідає прямокутним імпульсам ε_і(t), визначається наступними формулами:

1. за переднім фронтом імпульсу:

;

2. за заднім фронтом (спадом) імпульсу:

.

Тут - амплітудне значення ε_і(t), R – опір котушки, L – її індуктивність, С – стала.

Графічно залежність і_і(t) для фронту і спаду сигналу показана на рис. 1.4.

Р ис. 1.4.

З алежність магнітного потоку Ф (t) в осерді головки зчитування при проходженні магнітної стрічки з намагніченими ділянками, а також залежність е.р.с. і струму індукції і_і(t) в котушці показано на рис. 1.5.

За геометрією носія магнітна пам’ять поділяється на:

1. Пам’ять на магнітній дротині;

2. Пам’ять на магнітній стрічці (стрімер);

3. Феритова пам’ять;

4. Пам’ять на магнітних дисках.

2.1. Пам’ять на магнітній дротині (англ.: plated wire memory) використовувалась в магнітофонах до запровадження в якості носія магнітної стрічки. Вперше як носій інформації магнітна дротина була застосована в 1898 році в телеграфоні Паульсена (див. рис. 1.6). На циліндр, який міг обертатись з постійною частотою, щільно намотувався металевий дріт діаметром 0,5 мм. Вздовж циліндра по направляючій рухалась електромагнітна головка зі швидкістю 2,1 м/c, яка могла намагнічувати певні ділянки дроту. Для відтворення записаного все відбувалось в зворотному напрямку.

Недоліком використання дроту в якості носія була проблема з’єднання окремих його кусків. З’єднання вузлом не підходило, оскільки вузол не проходив через магнітну головку. До того ж стальний дріт легко заплутувався, а альтернатива йому, – стальна стрічка, різала руки інженерів.

Зараз в основному пам’ять на магнітній дротині використовується в авіаційних „чорних скриньках”, оскільки цей носій має високу стійкість до зовнішнього впливу екстремальних температур, тисків, дії агресивних середовищ, тощо.

Рис. 1.6.

2.2. Пам’ять на магнітній стрічці (англ.: magnetic tape memory, стрімер).

В даний час магнітні стрічки формують основу стратегії зберігання інформації, що використовується в професійних цілях у фінансових, страхових компаній, метеорологічних і геофізичних центрів, авіакомпаній і туроператорів. Пам’ять на магнітній стрічці відноситься до самого економного засобу зберігання. Її застосовують для зберігання великого обсягу відповідальних даних, які використовуються досить рідко або не вимагають часу доступу на рівні часток секунди.

Вперше приводи на магнітній стрічці були випущені корпорацією ІВМ в грудні 1952 року. У нових пристроях з цифровим зберіганням інформації на носії, який раніше застосовувався тільки для запису звукової інформації, використовувалась перша комерційна комп’ютерна стрічка, розроблена компанією 3М. Мета 3М полягала в розробці магнітної стрічки зі щільністю запису близької до 100 біт/дюйм² (bpi) і загальної ємності до 2 МБ з не дуже громіздкими головками запису/читання.

В 1957 році в якості основи магнітної стрічки почала використовуватись попередньо витягнута тонка поліефірна плівка. Перші магнітні стрічки містили від 7 до 9 доріжок (треків), а їх щільність досягала 488 доріжок на дюйм (lpi). Робочий шар стрічки покривався тонким шаром пластику для захисту стрічки від деформації головкою, а також – від впливу вологості. Крім того, вперше бобіни магнітної стрічки було вкладено в картриджі. Така конструкція зменшувала чутливість стрічки до умов навколишнього середовища і механічних впливів, а також зробила цей носій інформації більш придатним для використання в автоматичному режимі, полегшуючи пошук та управління інформацією.

Параметри магнітної стрічки які використовуються в даний час для зберігання інформації наступні:

1. Ширина стрічки – від 3,81 мм до 12,5 мм;

2. Ширина треку на магнітній стрічці – 1,5 мкм;

3. Щільність доріжок (lpi) – 488 доріжок на дюйм;

4. Лінійна щільність бітів інформації в найновіших зразках стрічок становить 150000 біт/дюйм;

5. Матеріал основи: ацетилцелюлоза, полівінілхлорид. поліефірна смола. Товщина основи - 20-45 мкм;

6. Матеріал феромагнітного робочого шару: сухий лак, в якому знаходиться феромагнітний матеріал (Fe₂O₃, сплав Co - Ni, CrO₂, металізоване покриття (МР)). Феромагнітний матеріал з лаком разом носять назву - феролак. Товщина феролаку - 5-20 мкм. Частинки феромагнетику можуть мати кубічну або голкову форму при довжині голок – 0,1-1 мкм. Голки розміщуються вздовж стрічки. Феромагнетик робочого шару складає по об’єму до 30 % від об’єму лаку;

7. Загальна кількість інформації на одній стрічці – до 8 ТБ.

8. Використовується магнітна стрічка з подвійним покриттям робочим шаром з однієї сторони. В якості робочого шару тут використовується барій-феритовий шар, що дозволяє в декілька разів підвищити щільність інформації на стрічці.

9. В якості головок читання використовуються GMR-головки.

В цілому запис і читання інформації на магнітну стрічку відбувається за фізичними принципами приведеними в параграфі 1.1, але існує низка обмежень до матеріалу робочого шару стрічки, її швидкості відносно головки читання, величини зазору головки та ін.

Результати розрахунку магнітного поля біля зазору записуючої головки приведені на рис. 1.7, де зображені силові лінії магнітного поля, щілина між робочим шаром стрічки і осердям головки, наявність якої неминуча внаслідок шорсткості поверхні стрічки. При імпульсній зміні струму i(t) в обмотці головки запису на стрічці утворюються ділянки, напрямок вектора намагнічення яких або співпадає з напрямком руху стрічки для імпульсів струму однієї полярності, або протилежний напрямку руху стрічки для імпульсів струму протилежної полярності.

Рис. 1.7.

Орієнтовно можна вважати, що довжина ділянки l намагніченості доріжки стрічки становить

(2)

де τ - час імпульсу струму в головці, s – величина зазору, - швидкість руху стрічки.

Для того, щоб вектор намагнічення ділянки треку стрічки мав однорідне значення, необхідно щоб на ньому була присутня достатньо велика кількість голок феромагнетику. Тому необхідне виконання умови:

l>>l_г, (3)

де l_г – середня довжина однієї голки.

Для розділення намагнічених ділянок, що відповідають двом послідовним імпульсам в котушці головки необхідно, щоб за час паузи між імпульсами струму намагнічена ділянка встигла вийти із магнітного поля в зазорі осердя. Для цього повинна виконуватись умова:

< . (4)

Співвідношення (2) і (4) показують, що допустима щільність запису інформації на доріжці при заданій швидкості її руху збільшується при зменшенні ширини зазору осердя записуючої головки. Однак, довільно зменшувати ширину зазору s неможливо, оскільки при цьому буде зменшуватись розсіювання магнітного поля і глибина його проникнення в робочий шар стрічки. В результаті цього буде зменшуватись і величина вектора намагнічення. Крім того, створення вузьких і в той же час достатньо однорідних по товщині зазорів є технічно важкою задачею.

Всі ці фактори, а також умова (3) обмежують граничну щільність магнітного запису на стрічку та інші магнітні носії.