Глава 6. Внешние запоминающие устройства на магнитных носителях

Глава 6. ВНЕШНИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА НА МАГНИТНЫХ НОСИТЕЛЯХ

6.1. Принцип записи двоичной информации на магнитную поверхность

Необходимость хранения больших объемов информации вплоть до сотен гигабайт в системах моделирования технологий конструирования космических кораблей и станций привела к использованию известного с 1934г. в технике звукозаписи принципа записи на магнитную поверхность. Большая информационная емкость и малая стоимость хранения бита информации являются основными преимуществами ЗУ с записью на магнитный носитель информации. Недостатком таких ЗУ является большое время поиска информации а также меньшая надежность таких устройств за счет наличия механизмов.

Информация, записанная на магнитную поверхность, обычно, за исключением режима прямого доступа к памяти (ПДП), неносредственно в вычислительном процессе не используется. Эта информация сначала передается в ОЗУ и только после этого может поступать на обработку в операционный блок. В этом смысле ЗУ на магнитных носителях называются внешними запоминающими устройствами -ВЗУ - или внешней памятью. В зависимости от типа носителя информации ВЗУ называются накопителями на магнитных лентах ( НМЛ), на магнитных дисках (НМД) и на магнитных барабанах (НМБ). ВЗУ на материалах, содержащих цилиндрические магнитные домены, в которых не присутствуют механизмы, обозначаются НЦМД.

В ВЗУ на магнитных носителях любого типа процессы записи, хранения и считывания информации основаны на одних и тех же принципах. Запись и считывание производятся с помощью магнитных головок, носители информации представляют из себя магнитные материалы, нанесенные на подложку. Как сердечник катушки головки, так и материал носителя выполняются из ферромагнетиков, к которым относятся переходные металлы железо, никель, кобальт и их сплавы. Ферромагнетики обладают свойством намагничиваться даже в слабых магнитных полях. Собственное внутреннее магнитное поле ферромагнетиков в 100 104 раз может превосходить вызвавшее их внешнее магнитное поле. Структура ферромагнетиков такова, что всегда имеются макрообласти, называемые доменами, намагниченные до насыщения за счет сильных внутримолекулярных полей. Внутримолекулярное магнитное поле возникает помимо электрического поля при движении электронов вокруг ядра и вокруг своей оси. Линейные размеры доменов не превышают сотых долей миллиметра, а их магнитный момент примерно в 10 - 15 раз больше магнитного момента отдельного атома. В переходном слое между двумя доменами, намагниченными в разных направлениях, имеется неоднородность намагниченности. Эти слои называются доменными стенками, границами доменов. Для железа доменная стенка равна 300 периодам кристаллической решетки. В отсутствии внешнего магнитного поля домены ориентированы хаотически и сумма всех их магнитных полей равна нулю, то есть первоначально магнитный материал имеет нулевую намагниченность В. При приложении внешнего магнитного поля Н все домены ориентируются в одном направлении. Это явление происходит в любом материале, но в немагнитном материале домены после снятия внешнего магнитного поля снова располага-

Площадь петли гистерезиса Рh (потери на гистерезиc) прямо пропорциональна работе, совершенной при перемагничивании:

Ph = ∫ HdB.

По величинам Нс и Рh ферромагнетики подразделяются на мягкие, у которых Hc порядка десятков эрстед, малая площадь петли гистерезиса, и жесткие c Hc порядка 102 - 103 эрстед, Рh велика. Материал магнитного покрытия подложки носителя должен обладать достаточно большой коэрцитивной силой для того, чтобы исключить возможность стирания информации под воздействием внешних полей. Сердечник же магнитной головки выполняется из магнитомягкого материала с малой Нс и больной Вs, поскольку сама головка при отсутствии тока в ее обмотке не должна создавать поля, влияющего на намагниченность покрытия. Сердечники магнитных головок изготавливаются из железоникелевых сплавов в виде холоднокатаных лент толщиной менее 0,02 мм. Малая толщина ленты позволяет снизить потери от вихревых токов, возникающие при действии тока в обмотках головки. Из таких же материалов толщиной порядка 0,1 мм изготавливаются экраны между головками.

В качестве запоминающей среды в устройствах магнитной записи используются порошковые и гальванические покрытия, нанесенные на немагнитную среду - подложку. В качестве подложки для магнитных лент используется лавсан толщиной порядка 20-30 мкм либо ацетилцеллюлоза толщиной 50-80 мкм. На движущуюся подложку наносится путем распыления магнитное покрытие - ферролак толщиной 5-20 мкм. Для улучшения магнитных параметров покрытия этот процесс ведется в магнитном поле. Фepролак состоит из порошка γ -окисла железа γ Fe2O3 немагнитной связки. Отдельные частицы порошка имеют размеры порядка десятых долей мкм. Магнитное покрытие лент должно отличаться высокой износоустойчивостью и малой шероховатостью поверхности, так как метод записи/ считывания в НМЛ контактный, магнитная головка находится в механическом контакте с магнитоносителем.

Магнитные диски и барабаны покрываются как описанным выше ферролаком, так и металлическими покрытиями на основе никеля, кобальта, вольфрама, наносимыми гальваническим способом. Толщина покрытия колеблется от 0,01 до 1 мкм.

Гибкие магнитные диски, иначе называемые дискетами, флоппи-дисками или флоппи, вырубаются из магнитной пленки. Требования к качеству магнитного покрытия такие же, как и для магнитной ленты, поскольку в накопителях на гибких магнитных дисках (НГМД) применяется также контактный метод, в отличие от накопителей на жестких магнитных дисках (НЖМД) и накопителей типа винчестер, где метод записи-считы- вания - бесконтактный.

Для намагничивания отдельных участков магнитного покрытия с целью записи необходимой цифровой информации используется магнитная головка или блок магнитных головок, состоящих из магнитного сердечника с зазором и намотанной на него катушки индуктивности (рис. 6.3). Сердечник собран из тонких изолированных ферромагнитных пластин и образует магнитопровод. Участки магнитопровода, образующие зазор, называются полюсами магнитной головки (МГ). От качества обработки полюсов во многом зависят характеристики МГ, поскольку величина зазора определяет плотность записи информации. Величина зазора составляет доли микрометров. Зазор заполняется прокладкой в виде фольги из бериллиевой бронзы или других сплавов методом электролитического осаждения или вакуумным напылением. В целях повышения износоустойчивости головок и лент, а также гибких дисков рабочая поверхность полюсов тщательно покрывается слоем радия или палладия. Зазор заполняется прокладкой в виде фольги из бериллиевой бронзы или других сплавов, обладающих высоким магнитным сопротивлением.

Рис. 6.3. Система “магнитная головка - носитель” в режимах записи и воспроизведения для бесконтактного способа

6.2. Работа системы «магнитная головка - носитель» в режимах записи и воспроизведения

Рассмотрим функционирование системы «магнитная головка - носитель», приведенной на рис. 6.3. При записи с помощью тока записи iзап, подаваемого в обмотку головки в сердечнике и в зазоре ∆ создается локальное магнитное поле Нзаз, величина которого превосходит величину коэрцитивной силы Нс магнитного материала. Вследствие явления магнитного гистерезиса в магнитожестком материале, нанесенном на подложку, после снятия этого внешнего поля Нзаз остается намагниченный участок, называемый иногда магнитным отпечатком. Поскольку магнитные силовые линии всегда замкнуты, то вблизи отпечатка возникает внешний магнитный поток Фв. Магнитная ориентация отпечатка и направление магнитного потока зависят от направления тока записи в катушке. Значения логических 0 и 1 двоичной информации кодируются направлением вектора намагниченности отпечатка. На рисунке показана запись кода 101. Составляющая напряженности магнитного поля Нх уменьшается от максимального своего значения в середине зазора Нзаз по закону арктангенса в зависимости от расстояния до магнитного слоя х и ширины зазора ∆ :

Нх=(2/π )Нзазarctg((∆ /2)/x).

При расстоянии х=∆ /2 Hх=Нзаз/2; при х=∆ Нх=Нзаз/3. Считывание (воспроизведение) записанной информации осуществляется с помощью таких же магнитных головок. Считы-

вание основано на улавливании внешнего магнитного потока Фв, существующего вблизи магнитного отпечатка. Вблизи движущегося магнитоносителя располагаются считывающие головки, сердечники которых обладают малым магнитным сопротивлением, что способствует прохождению через сердечник потока Фвоспр. Из-за изменения магнитного потока при движении магнитоносителя в обмотке головки индуцируется ЭДС евоспр(t), равный

евоспр(t)=К(dФвоспр/dt),

где К - коэффициент пропорциональности. Из этого выражения следует, что величина считываемого сигнала пропорциональна скорости продвижения носителя относительно МГ. Кроме того, величина выходного сигнала евоспр пропорциональна величинам параметров магнитоносителя:

евоспр ~ (ВrНсТн)1/2,

где Тн - толщина магнитного слоя носителя.

Поскольку величина зазора ∆ определяет величину магнитного отпечатка, а следовательно, и плотность записи информации, а также определяет скорость продвижения носителя и быстродействие ВЗУ, то выбор ∆ имеет важнейшее значение при проектировании НМН. Оптимальное значение ∆ опт для выбранных параметров магнитоносителя пропорционально следующим величинам:

∆ опт~ВrТн/(2π Нс).

Применение материала о большой коэрцитивной силой, то есть с ППГ, дает возможность уменьшить зазор в сердечнике МГ, и, таким образом, повысить плотность записи информации.

Для перемагничивания материала в режиме стирания или перезаписи необходимо, чтобы величина магнитного поля вблизи МН превышала коэрцитивную силу материала Hс:

(2/π )Нзазarctg((∆ /2)/x) > Нс.

В зависимости от направления вектора намагниченности отпечатков в рабочем слое МН по отношению к направлению вектора скорости V перемещения МН различают продольную, поперечную и перпендикулярную намагниченности (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Типы намагниченности носителя НМН

Поверхностная информационная плотность записи определяется количеством единиц информации, приходящихся на единицу площади поверхности носители:

р=рlpd бит/мм2,

где рl - продольная плотность записи, равная количеству двоичных единиц информации, записываемых на единицу длины дорожки, рd - поперечная плотность записи, равная числу дорожек на единицу ширины или диаметра носителя. Теоретический предел поверхностной плотности записи ртеор=1010-1011 бит/мм2. Наиболее эффективным средством повышения плотности записи является уменьшение расстояния между головкой и носителем, что связано с большими конструктивными и технологическими трудностями разработки и производства подвижной системы «магнитная головка - носитель».

Наибольшую плотность удается получить при контактной записи, когда расстояние между МГ и носителем определяется лишь шероховатостью магнитной поверхности. Однако при контактной записи износ МГ и носителя ограничивает допустимую скорость перемещения носителя относительно головки. Между тем, скорость носителя влияет на такие важные характеристики ВЗУ, как время выборки и скорость передачи данных.

Применение бесконтактной записи позволило создать ВЗУ с более высокой скоростью передачи данных за счет значительного увеличения скорости движения носителя. Уменьшение зазора в НМД, НМБ ограничено механическими неточностями изготовления носителей (эксцентриситет, биения), а также температурными деформациями. Существенное увеличение плотности достигается применением плавающих головок. В этом случае головка или блок головок удерживаются на расстоянии от поверхности носителя подъемной силой за счет воздуха, увлекаемого быстро движущейся поверхностью носителя.

Как при контактной, так и при бесконтактной записи на продольную плотность записи оказывает влияние используемый метод записи.