Особенности хранения информации на жестких дисках
Лет 10 назад многие люди были поражены винчестерами, имевшими плотность записи порядка 1 Гб на поверхность. Всего 5 лет назад жесткий диск, имеющий плотность записи 20 Гб на поверхность казался фантастикой. Сейчас в нашем распоряжении имеются винчестеры, имеющие плотность записи порядка 80 Гб на пластину.
Естественно, эта тенденция будет и дальше сохраняться, будут выходить новые жесткие диски, вмещающие все больше и больше информации. Одновременно с этим, происходит развитие в области усовершенствования как самой химической и физической структуры, хранящей данные, так и методов записи и хранения информации. В ближайших публикациях, мы ближе рассмотрим методы кодирования информации, записи, хранения, а также чтения, используемые в современных накопителях на жестких дисках.
Цифровая информация — это поток из единиц и нулей. Жесткие диски хранят информацию в виде магнитных импульсов. Как следствие этого, информация сохраняемая на жесткий диск, должна быть переведена в форму магнитных импульсов и наоборот, при чтении, магнитные импульсы должны быть преобразованы обратно. Эту работу производит встроенный контроллер жесткого диска совместно с цепями улавливания и усиления слабых сигналов, считываемых с магнитной поверхности накопителя.
Магнитная информация на диске состоит из большого количества очень маленьких магнитных полей. Магнит имеет два полюса, северный и южный, и магнитный поток течет от северного полюса к южному. Информация сохраняется на жесткий диск методом кодирования в набор магнитных полей.
Конечно, при поверхностном рассмотрении довольно легко различать 0 и 1 как N-S и S-N соответственно, в реальности же все намного сложнее: при таком простом методе, будет невозможно различить две 1 стоящие друг за другом. Для решения этой и других задач, используются специальные приемы, гарантирующие, что записываемые и считываемые данные будут одинаковы.
Итак, рассмотрим, какие препятствия стоят на пути такого простого кодирования, которое было рассмотрено ранее:
- Поля: Головки чтения/записи не могут установить полярность магнитного поля, с их помощью можно только установить переход магнитного поля между северным и южным, и наоборот. Дело в том, что именно переходы намного более просто улавливать и измерять. Когда головка жесткого диска проходит над областью, у которой меняется полярность, возникает небольшой пик напряжения, который и можно улавливать. В то время, как плотность записи растет, величина этого пика уменьшается. Вот почему при кодировании информации, надо кодировать не полями, а сменами полей.
- Синхронизация: другой задачей, стоящей перед разработчиками, является задача синхронизации центра бита и краев бита. Нужен какой-то механизм, с помощью которого можно было бы четко отделять границы соседних двух битов. Даже если бы мы смогли, как было написано ранее, четко обозначить 0 как N-S, а 1 как S-N, то как бы мы записали 1000 нулей? Было бы очень тяжело сказать, где кончается 655 бит и начинается 656 бит. Потребовалась бы очень точная механика вместе с очень большим объемом вычислений. Это все равно, что на машине без приборов и фар нам бы требовалось проехать ровно 1000 километров на дороге без разметки и освещения и без каких-либо опознавательных знаков с точной скоростью в 60 км/ч.
- Разделение полей: Даже если бы мы смогли записать 1000 маленьких N-S полей на узенькой дорожке, то при считывании мы бы обнаружили не 1000 маленьких полей, а одно большое поле с силой в примерно 1000 раз большей, чем у одного маленького поля.
На рисунке схематично представлены ток записи, расположение магнитных доменов и напряжение, возникающее на магнитных головках при считывании информации.
В дополнение к предыдущим требованиям, есть еще одно, которое надо принимать ко вниманию: предел намагничиваемости поверхности пластины. Каждый квадратный дюйм поверхности пластины может вмещать конечное количество информации. Это называется поверхностная плотность записи. Т.к. нам нужно использовать часть полезных "магнитиков" для предоставления разного рода информации о границах, синхронизации, положении и т.д., не вся поверхность используется для хранения информации, часть ее уходит на разного рода служебную информацию. Главной задачей кодирования данных является использование как можно меньшего числа магнитиков для несения служебной информации, и, соответственно увеличения количества реальной информации, записываемой на магнитную пластину.
Ранние методы кодирования были довольно примитивны и расходовали довольно много магнитиков для хранения информации синхронизации. Со временем, были разработаны методы кодирования информации, которые требовали не так много места для служебной информации. Это позволило более эффективно распределять информацию на одном и том же участке поверхности. Улучшение поверхностной плотности записи позволяет записать большее количество информации, не зависимо от того, какого рода эта информация: служебная или пользовательская. Улучшение кодирования информации позволяет при неизменной поверхностной плотности записи, увеличить объем хранимой информации на накопителе.