Metody zapisu informacji na nośnikach magnetycznych

Zapis informacji na nośniku magnetycznym odbywa się dzięki głowicom. Zmieniając kierunek przepływu prądu przez cewkę głowicy magnetycznej powodujemy zmianę biegunowości pola magnetycznego, które odpowiednio kierunkuje domeny nośnika ferromagnetycznego – powstają zera i jedynki – cyfrowy zapis informacji. Oprócz zapisania danych jako ciągu bitów wymagane jest także określenie położenia początku i końca danego bitu. Istniało kilka sposobów zapisu danych na tego typy nośniku.

Metoda NRZ ( Non Return to Zero - bez powrotu do zera)

Metoda NRZ polega na zmianie kierunku przepływającego przez głowicę prądu jedynie w momencie zmiany wartości bitu. Kierunek prądu nie zmienia się podczas zapisu ciągu bitów tej samej wartości (ciągu zer bądź jedynek). Ten sposób zapisu nie posiada jednak wspomnianej możliwości auto-synchronizacji tzn. zapisana informacja nie zawiera znaczników położenia danego bitu.

Metoda FM (Frequence Modulation – metoda modulacji częstotliwości)

To jedna z najstarszych technik zapisu, obecnie praktycznie już nie stosowana (jako ostatnia stosowała ten zapis firma IBM w 8. calowych dyskietkach). Metoda FM polega na zmianie kierunku prądu głowicy na początku każdej komórki bitowej. Spełniając postulat auto-synchronizacji, na środku każdej komórki z bitem o wartości „1” następuje dodatkowa zmiana kierunku przepływającego przez głowicę prądu. Sposób ten, określany „zapisem z pojedynczą gęstością”, jest dosyć nieefektywną metodą zapisu – wielokrotna zmiana biegunowości nie prowadzi do optymalnego wykorzystanie przestrzeni zapisu (mniejsza liczba zmian powoduje większą gęstość zapisywanych informacji – więcej bitów w przestrzeni zapisu).

Metoda MFM (Modified Frquence Modulation – zmodyfikowana metoda modulacji częstotliwości)

Lepsze wykorzystanie przestrzeni dyskowej zapewnia zmodyfikowana metoda FM. Sygnałem taktującym jest tutaj sam strumień informacji. Rozwiązanie to wymaga stałej prędkości obrotowej nośnika – tylko wtedy każdej komórce bitowej odpowiada taka sama co do wielkości przestrzeń dysku. W technice tej zmiana kierunku przepływu prądu odbywa się dla każdej „1” tylko w środku obszaru przeznaczonego pod zapis danego bitu, zaś dla każdego bita o wartości „0” biegunowość zmienia się na początku takiego obszaru, ale tylko wtedy gdy wartość poprzedniego bitu wynosiła także „0”. Taki system daje dwukrotne wzrost gęstości zapisu w stosunku do metody FM. MFM była przez wiele lat najbardziej powszechną metodą zapisu stosowaną w dyskach twardych współpracujących z kontrolerami umożliwiającymi zapis w 17 sektorach (512 bajtów każdy) oraz napędach dyskietek 3,5 i 5,25 cala.

Metoda RLL (Run Length Limited – metoda serii ograniczonej długości)

Prace nad opracowaniem bardziej wydajnych sposobów zapisu zwieńczone zostały wdrożeniem metody RLL. Była ona wykorzystywana podczas zapisu danych na dyskach twardych do połowy lat 90. Obecnie stosowana bywa do zapisu informacji z wykorzystaniem napędów optycznych. Redukuje ona blisko 35% ilości przemagnesowań nośnika, co powoduje 1,5 krotny wzrost gęstości zapisu w stosunku do metody MFM (przy takiej samej częstotliwości sygnału). Jest to metoda wykorzystująca kodowanie informacji – pewnym ciągom bitów przyporządkowany zostaje zmiennej długości kod – przy ograniczonym minimalnym i maksymalnym okresie bez zmiany sygnału. Istnieją różne wersje kodowania sygnowane cyframi, np. RLL 2.7 oznacza, że najkrótszy czas bez zmiany sygnału wynosi 2 takty, a najdłuższy 7 taktów. Ten rodzaj zapisu oznacza, iż pewne grupy bitów zastępowane są innymi, przy czym, zero oznacza zawsze brak zmiany kierunku prądy, jedynka – jego zmianę. W zależności od wersji kodowania, pomiędzy dwiema jedynkami musi znajdować się zawsze określona liczba zer. Dla metody RLL w wersji 2.7 jest to od 2. do 7. zer, zaś w wersji 3.9 (zwanej także metodą ARLL – Advanced RLL) od 3. do 9. Zwiększenie wartości pierwszej cyfry w sygnaturze wersji oznacza wzrost częstotliwości taktowania przy niezmiennej częstotliwości na głowicy – wymaga to jednak zwiększenia maksymalnych czasów, co odzwierciedla wzrost wartości drugiej cyfry. Nie mogą być one jednak zbytnio zwiększane – brak precyzji odnośnie obrotów talerzy dysku skutkować może niewłaściwym dekodowaniem długości sygnału.

Metoda PRML (Partial Response Maximum Likelihood – częściowa odpowiedź, maksymalne prawdopodobieństwo)

Jest to stosowana obecnie, najlepsza, najpowszechniejsza i najbardziej skomplikowana metoda zapisu/odczytu sygnału. Dotychczasowe sposoby odczytu polegały na detekcji wierzchołków zapisywanych impulsów. Przy dużej prędkości obrotowej talerzy i wysokiej gęstości zapisu powstawały zniekształcenia wierzchołków, co prowadziło do błędów w rozpoznaniu szczytów sygnału. PRML, oparta została na metodzie zapisu RLL i powstała w celu eliminacji tego typu zakłóceń. Odczyt danych z dysku oparty jest na wyliczeniach największego prawdopodobieństwa. Ciągi analogowych impulsów odczytywane przez głowice dysku po przetworzeniu przez przetwornik analogowo/cyfrowy (Partial Response) kierowane są do procesora sygnałowego. Procesor, korzystając z metody największego prawdopodobieństwa, dokonuje analizy informacji i zastępuje przesyłane ciągi bitów najbardziej prawdopodobnymi ciągami (Maximum Likelihood), określając miejsca położenia wierzchołków – taka procedura eliminuje ewentualne błędy odczytu. Po przejściu przez procesor dane poddawane są dekodowaniu zgodnie z metodą RLL. Rezultatem tych zabiegów jest możliwość zmniejszenia rozmiarów domen magnetycznych i zwiększenia pojemności przestrzeni zapisu szacowana na 20 – 40 procent.

Pavel Kroupka