Vnější paměti I. Principy vnějších pamětí: magnetický i optický, kódování, konstrukční celky. X36PZA Periferní zařízení M. Šnorek

Vnější paměti I. Principy vnějších pamětí: magnetický i optický, kódování, konstrukční celky

X36PZA Periferní zařízení M. Šnorek

Obsah přednášky • Vnější paměť. • Geometrie záznamu na vnějších pamětech. • Typický formát stopy. • • • •

Magnetická, optická technologie. Kódování (NRZI, MFM, RLL). PRML. Konstrukční celky.


Hierarchie pamětí Rychlost

Cena za bit

Registry Keš Hlavní paměť M agnetické disky

Pásky

Optické disky

Kapacita


Geometrie záznamu na vnějších pamětech sektor

stopa

raménko čtecí/zápisové hlavy

Optické médium stopa

CAV (4200, 5400, 7200, 10k, 15k ot/min), CLV (495 212 ot/min).

sektor


Speciálně: optické paměti pit

stopa

land


Způsob výběru nebo adresace • Nejmenší adresovatelnou položkou je blok o velikosti 256 B, 512 B (obvykle u mg. disků), 1 KB nebo 2 KB (obvykle u optických disků) nazývaný • sektor. • Ten, kromě dat, obsahuje záhlaví, kontrolní bajty umožňující zjištění, popř. i opravu chyb a další informace. • Adresa v záhlaví se skládá z adresy povrchu, čísla stopy (válce) a čísla sektoru.


Doba přístupu k datům na disku • Disc Access Time, obvykle 1020 ms. Závisí na

– době potřebné k přestavení hlaviček (Seek time), – rotační latenci, – době potřebné k samotnému přenosu dat (Transfer time).

• Jedna otáčka trvá – – – – –

16,67 ms při 3600 ot/min. 11,11 5400 8,3 7200 6 10000. Průměrná rotační latence je polovinou této doby.

• Přenos trvá

– 0,17 ms při – 0,02 ms

3600 ot/min a 10000

100 sektorech/stopu 300


Typický formát sektoru MG média Disketa

Disk


Typický formát sektoru opt. média CDROM


A jak jsou ty údaje zaznamenány?

Zakódovaná data Záznam na médiu (jedna stopa)

Reverzacemi! V tomto případě optickými.


Magnetické paměti technologie záznamu a čtení


Časová osa a dosahovaná hustota:


Údaje se zapisují indukcí


Fyzikální pozadí mg. záznamu Záznamová hlavička

Neuspořádané magnetické domény záznamové vrstvy

Diskový povrch

D ůležité: informaci nese změna (reverzace)!

Záznamovým proudem uspořádané domény Změna uspořádání změnou smyslu záznamového proudu


Čtení? Také induktivně

e

e ≈ dΦ/dt

Příčina posunutí magnetických reverzací


Řadič disku diskové mechaniky obsahuje • paralelní/sériovou konverzi, • obvody pro výpočet/detekci CRC, popř. ECC, • čtecí zesilovač/generátor zápisového proudu, • detektor pulsů, • datový separátor, • obvody rozhraní k nadřazenému systému/k mechanice, • atd. Typické pro 80. léta, plošná hustota ~10 Mb/in2


Moderní čtení • Nevadí mu posuv reverzací, který se dříve musel už při zápisu kompenzovat. • Nevadí mu malá amplituda přečtených změn. • Proč? Protože – nečte tak, že hledá izolované lokální extrémy, ale – vyhodnocuje posloupnosti, PRML. – Nečte induktivně, čte jinak. Magnetorezistivně.


Moderní čtení

PRML

elnika záznam. řetězce

< program. analogový filtr

A/D převodník

.. 0 0.1 0.2 1.2 1.1 0.1 0.1 0 ...

řízení zesílení

řízení spouštění převodu

program. digitální FIR filtr

Viterbi detektor nejpodob.


Moderní čtení magnetorezistivní • Magnetorezistivní materiál mění svou vodivost (rezistivitu) na základě vlivu vnějšího magnetického pole. • GMR detekuje slabší magnetické pole = větší hustota dat než u MR i klasických hlaviček. • Obrázek ukazuje závislost mezi tloušťkou „sensing“ vrstvy a změnou odporu této vrstvy.


Rozmístění hlaviček čtecí hlavička

zapisovací hlavička

X36PZA Periferní zařízení M. Šnorek D36NM – Nová média Tomáš Suchý, 2005

MR historie MagnetoResistence neboli MagnetoRezistivita

• 1857 – jev byl objeven (Lord Kelvin, William Thomson)

MR

• 1988 – objev MR, • 1991 – IBM představila jako první MR technologii.

GMR (Gigant MR)

• 1988 – objev GMR (Peter Grünbger, Albert Fert), • 1989 – zavedení efektu do multivrstev (Stuart Parkin – IBM), • 1997 – první komerční produkt (pevný disk).

CMR (Colossal MR)

• 1986 – objev supravodivosti v oxidu měděném (Alex Müller, Georg Bedonz IBM), • 1993 – objev elektrického odporu u oxidu manganovitého.

X36PZA Periferní zařízení M. Šnorek D36NM – Nová média Tomáš Suchý, 2005

MR – princip • MR senzor je vyroben ze slitiny železa a niklu (obsah niklu cca 80 %), vodivý materiál.

• Elektrický odpor (rezistivita) významně závisí na úhlu mezi protékajícím proudem a magnetizací MR senzoru. • N ejvětší odpor vykazuje MR senzor pro rovnoběžnou orientaci proudu a magnetizací domény MR senzoru (časté kolize vodivých elektronů s atomy MR senzoru), • nejnižší odpor vykazuje MR senzor pro úhel 90 ° mezi proudem a magnetizací domény MR senzoru (kolize vodivých elektronů s atomy MR senzoru jsou nepatrné).

MR materiál

úhel 90 °

směr magnetizační domény

vysoký odpor

směr proudu

nízký odpor

magnetické pole vychyluje magnetizační směr domény


Optické paměti technologie záznamu a čtení


Časová osa

Rok

1979

1988

1991

1996

2006

M é d iu m

C D D A

C D M O

C D R

DVD

B R D V D

K a p a cita

6 5 0 M B

6 5 0 M B /2 S

4 ,7 G B

2 5 G B

H u sto ta

0 ,6 7 G b /in

L a se r

7 8 0 n m

2

4 ,8 G b /in 6 3 5 n m

2

4 0 5 n m

Všechny typy médií mají průměr 12 cm (4,72”), výjimečně 8 cm.

Připomenutí: mg. disk


Čtení optického záznamu Čtecí laserový paprsek


Technologie optického záznamu • Lisováním (CDDA, CDROM, DVD) • Vypálením nevymazatelného záznamu. Tato média dnes využívají technologii dye recording tedy záznam změnou barvy aktivní vrstvy (CD+R, DVD+R). • Vypálením na přepisovatelné médium. Tato média dnes využívají technologii PR phase change recording, méně často MO magnetooptical recording (CDMO, CD+RW, DVD+RW).


Dye Recording barevný záznam • Zahřátím mění některé látky optické vlastnosti (průhlednost, barvu), takže se laserový paprsek nemůže odrazit od reflexní vrstvy. Proces je nevratný. • Na tomto principu pracují všechna optická média +R.


Barva média Na výslednou barvu, kterou vnímáme jako barvu média, má vliv barvivo vrstvy do které vypalovací laser zapisuje informace a barva odrazové vrstvy. B a rv iv o

P a te n t s p o le č n o s ti

B a rv a

A d va n c e d P h th a lo c y a n in e

M its u i T o a ts u C h e m .

p rů h le d n á

C y a n in e

T a iy o Y u d e n

s v ě tle m o d rá

H y b rid K o d a k J a p a n L td . C y a n in e /P h th ta lo c y a n in e

s v ě tle z e le n á

M e ta liz ed A zo

V e rb a tim /M itsh u b is h i

m o d rá

P h th ta lo c y a n in e

M its u i T o a ts u C h e m .

p rů h le d n á


Optický záznam fázovou změnou • Proces podobný jako předchozí, ale je vratný! • Na tomto principu pracují všechna optická média +RW.

Smazaný stav – průhledná vrstva, zapsaný stav – neprůhledná.


Struktura média pro fázovou změnu


MO zápis a čtení


MO – principy I.

• Chování látek vzhledem k magnetickému poli, nějaké chování • Feromagnetické (mají vlastní magnetické pole), • Paramagnetické (snadno se podřizují vnějšímu) • Diamagnetické (vnější pole zeslabují).

• Pierre Curie (18591906, manžel Marie Sklodowské), objevil, že některé látky s teplotou přecházejí z feromagnetického stavu (zahříváním) do paramagnetického a naopak. • Poznatek: nad Curieovým bodem (teplota) je lze snadno vnějším polem přemagnetovat, zatímco pod ním na ně stejně silné vnější magnetické pole nemá vliv.


MO – principy II. • Rev. John Kerr (1824 – 1907) skotský fyzik. Objevil, že světlo mění své chování v silném elektrickém, popř. magnetickém poli. • Zde se využívá druhý poznatek.

• Polarizované světlo mění rovinu polarizace při odrazu od zmagnetovaného povrchu. • Jde o tzv. Kerrův magnetooptický jev.


DVD médium • • • • •

Kapacita viz obrázek, vlnová délka λ = 635 nm, rychlost přenosu dat 1x 1,23 MB/s, tloušťka nosiče jen 0,6 mm, numerická apertura 0,6.


Srovnání CD DVD vln. délka

CD

780 nm

num . apertura 0,45

DVD

635 nm 0,6

vzdál. stop

1,6 µm

0,8/0,74 µm

délka pitu

0,8 µm

0,4 µm

dat. tok

150kB /s

1,23M B /s

kapacita

650 M B

4,7 G B


Vyšší kapacity bylo dosaženo: • • • • • • •

Menším pitem (≈ 2,08 x), bližšími stopami (≈ 2,16 x), poněkud větší datovou oblastí (≈ 1,02 x), efektivnější modulací kanálových bitů (≈1,06x), efektivnější chybovou korekcí (≈ 1,32 x), nižší sektorovou režií (≈ 1,06 x), což dohromady činí více než 7mi násobný nárůst kapacity.


Srovnání různých DVD médií


Kódování dat


Kódování RLL • Poznámka: – RLL od RunLengthLimited, – samosynchronizovatelný, ale nemá explicitní hodinové a datové reverzace.

• Používá se nejen v optických pamětech, ale i v dnešních magnetických pamětech.


Princip kódování RLL I.

Binární vzor

RLL obraz

11

1 000

10

0 100

000

000 100

010

100 100

011

001 000

0011

00 001 000

0010

00 100 100 X36PZA Periferní zařízení M. Šnorek

Princip kódování RLL II.

Příklad: Bitová posloupnost 10110011 se zakóduje jako

0100100000001000


Když kódovaná data „nepasují“ délkou? • Nevadí, i pak lze použít. • Kódovaná vstupní posloupnost se doplní tak, aby bylo možno najít přiřazení vzorů obrazům. • Délka kódovaných posloupností je v tomto případě známa a tak se • při dekódování bere v úvahu jen patřičný počet bitů. Ty doplněné (co jsou navíc) se zase prostě vypustí, neberou v úvahu.


Jiná varianta RLL • EFM, EighttoFourteen Modulation. • Používá se u CDDA a je typu RLL (2, 10):

Někdy se jim říká Merge bits


Tabulka kódu je publikovaná, viz např. Wikipedia.


DVD? • Užívá opět RLL kód, tentokrát • EFMPlus. Je rovněž typu RLL (2,10). • Ve skutečnosti by se ale měl jmenovat ESM, protože • kóduje 8 bitů na 16.

• Merging bity ale už nejsou zapotřebí.


Starší typy kódování. Důležité! FM

NRZI

MFM

M2FM


Kódování srovnání


Poznámka: • Kódy FM a MFM jsou ve skutečnosti také kódy typu RLL! • Přemýšlejte o tom, jakého typu vlastně FM a MFM jsou: RLL (m, n)?

•

FM: RLL (1/2, 1), MFM: RLL (1,2).


Konstrukční celky


Konstrukční celky mg. disku

Plochý motor pro otáčení diskovým svazkem

Diskový svazek

Záznamová Lineární motor vystavovacího mechanismu

a čtecí hlava

Pomocné diskrétní komponenty: transformátor, odrušovací filtr, atd.


Konstrukční celky opt. disku


CD mechanika – příklad konstrukce


Základní úkol hlaviček

Konvertor energie

Čtecí hlavička • přeměna magnetického záznamu na elektrický signál. Záznamová hlavička • přeměna elektrického signálu na magnetický záznam.


Typy hlaviček (předchůdci)

F (Ferrite) • feritové jádro, • cívkou teče proud, která je navinutá na jádře, • vzniká magnetický tok, který zmagnetizuje povrch disku.


Typy hlaviček (předchůdci) M I G (M etalI nGap) • zdokonalená F, • mezi póly magnetu slitina, která zlepšuje vlastnosti. Thin Film • výroba fotolitografickým procesem (podobně jako CPU), • zmenšení velikosti. F MIG

Kapacita disku(MB)

50

50 – 100

TF

100 – 1000

Vzdálenost hlavadisk: 1954 2 0 µ m

1973

1994

> 0 ,4 µ m 2 0 n m

Winchestrovský disk

2003 2 n m


Současná GMR – hlavička


Vystavovací mechanismus Voice Coil – kmitací cívka. Elektrodynamicky.

S krokovým motorem.


Odkud bere „navigační“ informaci? • Magnetické disky: – dříve ze zvláštní servostopy, – dnes přímo ze zaznamenaných dat.

• Optické disky: – z vylisované drážky, – z wobble (zvlnění) stopy.


Disková keš


Vnější paměti I. Principy vnějších pamětí: magnetický i optický, kódování, konstrukční celky. X36PZA Periferní zařízení M. Šnorek

Recommend Documents