Magnetický záznam dat (1)

*      Magnetický záznam dat je prováděn půso-bením magnetického pole na magneticky vodivý materiál

*      K vyjádření jakosti magnetického pole se používají dvě veličiny:

  --   intenzita magnetického pole: H [A/m]

  --   magnetická indukce: B [T]

*      Magnetická indukce vzniká působením in-tenzity magnetického pole

                                     Magnetický záznam dat (2)

*      Mezi veličinami H a B platí vztah:

                                B = m.H

    kde m je veličina zvaná permeabilita [H/m]

*      Pro m platí:

                                  m = m[0].m[r

]    kde m[0 ] je permeabilita vakua

                m[0] = 4p .10^-7 H/m << 1,2566 . 10^-6 H/m

           m[r]  je relativní (poměrná) permeabilita
            daného materiálu

                                     Magnetický záznam dat (3)

*      Relativní permeabilita určuje, kolikrát je da-né prostředí magneticky vodivější než vaku-um a
je bezrozměrná. Pro:

  --   vakuum je m[r] = 1

  --   vzduch je m[r] << 1

*      Podle chování látek v magnetickém poli, tj. podle velikosti relativní permeability se látky
dělí do tří skupin:

  --   diamagnetické (m[r] < 1): např. měď, zinek, zlato, stříbro

                                     Magnetický záznam dat (4)

  --   paramagnetické (m[r] > 1): např. platina a hliník

  --   feromagnetické (m[r] >> 1): např. železo, nikl, kobalt, ferity

*      Z hlediska magnetického záznamu mají nej-větší význam látky feromagnetické, z nichž bývají
vyrobeny záznamové  vrstvy např.:

  --   pružných disků

  --   pevných disků

  --   magnetofonových pásek  

                                     Magnetický záznam dat (5)

*      Vznik hysterézní smyčky:

  --   nechť feromagnetický materiál nemá žádnou magnetickou orientaci, tj. je ve stavu H = 0 A/m a B
  = 0 T

  --   tento materiál vložíme do cívky a do jejího vinu-tí zavedeme elektrický proud

  --   hodnotu proudu postupně zvyšujeme, čímž vzrů-stá intenzita magnetického pole vytvářeného
  cívkou

  --   tím rovněž vzrůstá ve feromagnetickém materiá-lu magnetická indukce (B = m.H)

                                     Magnetický záznam dat (6)

                                     Magnetický záznam dat (7)

*      Různé feromagnetické materiály mají různý tvar hysterézní smyčky

*      Čím větší je plocha hysterézní smyčky, tím je materiál považován za magneticky tvrdší

*      Naopak při menší ploše je materiál označo-ván jako magneticky měkčí

*      Materiály vhodné k výrobě médií pro mag-netický záznam vyžadují, aby jejich hyste-rézní
smyčka měla téměř pravoúhlý průběh

                                     Magnetický záznam dat (8)

*     Hysterézní smyčka materiálu magnetic-kého média:

                                     Magnetický záznam dat (9)

*      Záznam na magnetické médium (pružný disk, pevný disk, magnetofonová páska) je prová-děn
záznamovou hlavou

*      Záznamová může rovněž sloužit i jako hlava čtecí

*      Záznamová hlava se skládá z:

  --   elektrického obvodu -- cívky

  --   magnetického obvodu -- feromagnetického jádra

                                     Magnetický záznam dat (10)

*      Feromagnetické jádro obsahuje štěrbinu
(o šířce cca 1 mikron), která umožňuje uzavírání indukčních čar přes magnetické médium, které se
nachází v těsné blízkosti hlavy

*      V médiu takto vzniká magnetická indukce, která se poté, kdy přestaneme na materiál působit
magnetickým polem, ustálí na hodnotě remanence a v médiu tak vznikají tzv. elementární magnety

                                     Magnetický záznam dat (11)

*      Čtení je prováděno čtecí hlavou (konstruová-na stejně jako záznamová hlava), která se
po-hybuje nad médiem obsahujícím elementární magnety



                                     Magnetický záznam dat (12)

*      Jejich magnetický tok se uzavírá přes fero-magnetické jádro hlavy a v cívce vzniká
in-dukované napětí, pomocí něhož se rozlišují jednotlivé zaznamenané bity

*      Platí:

                                          Modulace dat (1)

*      Data se na magnetická média ukládají pomo-cí změn magnetického toku

*      Tato změna může nastat z kladného toku na záporný nebo naopak ze záporného na kladný

*      Každá takováto změna se při čtení projeví jako impuls (P)

*      K reprezentaci dat na magnetickém médiu se tedy používá přítomnosti nebo nepřítomnosti
impulsu (mezera - N)

                                          Modulace dat (2)

*      Teoretická úvaha:

  --   bit 1 zaznamenat (zakódovat) jako impuls

  --   bit 0 zaznamenat (zakódovat) jako mezeru

*      Takto realizované kódování by v praxi nikdy nefungovalo

*      V okamžiku, kdy by následovala delší pos-loupnost nul, která by byla zaznamenána jako dlouhá
posloupnost mezer bez jakýchkoliv impulsů, by došlo ke ztrátě synchronizace pevného disku s řadičem

                                          Modulace dat (3)

*      Nebylo by tedy možné přesně určit, kolik mezer (nul) bylo přečteno

*      Impulsy pomáhají vzájemně synchronizovat čtená data a řadič disku

*      Data musí být na disk zaznamenávána tak, aby nikdy nedošlo k dlouhé posloupnosti mezer

*      Na magnetické médium se však vejde větší počet mezer a impulsů, je-li počet impulsů menší

                                          Modulace dat (4)

*      Je tedy nutné zvolit vhodný kompromis, aby při čtení dat nedošlo ke ztrátě synchronizace a
zároveň, aby vlivem přehnaně velkého poč-tu impulsů nedocházelo k plýtvání médiem a tím k jeho menší
kapacitě

                                            FM modulace

*      V případě použití modulace FM (Frequency Modulation) se jednotlivé bity zakódují nás-ledovně:

                                          MFM modulace (1)

*      MFM (Modified Frequency Modulation) re-dukuje počet impulsů

*      MFM modulace se používala u prvních pev-ných disků a dodnes se používá při záznamu na pružné
disky

*      Jednotlivé bity se zakódují následovně:

                                          MFM modulace (2)

*      Příklad: je dán bitový vzorek: 101100 

                                          RLL modulace (1)

*      Modulace 2,7 RLL (Run Length Limited) používá následující kódovací schéma: 

                                          RLL modulace (2)

*      Jednotlivé vzorky a jejich zakódování jsou voleny tak, aby mezi dvěma impulsy byly minimálně
2 a maximálně 7 mezer

*      Toto kódování je asi o 50% úspornější než MFM kódování a bylo používáno u starších pevných
disků

*      Moderní pevné disky používají většinou něja-kou modifikaci 2,7 RLL kódování, označova-nou
např. ARLL, ERLL, EPRML apod., která poskytuje ještě větší úsporu

                                          Pružné disky (1)

*      Pružný disk (FD - Floppy Disk, disketa) je přenosné médium pro uchování dat

*      Pružný disk je tvořen plastovým kotoučem, na jehož povrchu je vrstva oxidu železa

*      Celý kotouč je uzavřen v obdélníkovém pouzdře, vystlaném hebkým materiálem, které jej chrání
před nečistotou mechanickým poškozením a ve kterém se kotouč při práci otáčí

                                          Pružné disky (2)

*      V obalu je vyříznutý tzv. čtecí otvor, kterým přistupuje čtecí a zapisovací hlava k médiu

*      Záznam dat na médium je prováděn magne-ticky

*      Jednotlivá data jsou zapisována do soustřed-ných kružnic, tzv. stop (tracks), na obě strany
diskety

*      Každá stopa je rozdělena ještě na tzv. sektory (sectors), jež tvoří nejmenší úsek média, na
který je možné zapisovat

                                          Pružné disky (3)

*      Vlastní zápis na pružný disk bývá prováděn s kódováním MFM

                                          Pružné disky (4)

*      Parametry pružných disků:

                                          Pružné disky (5)

*      Pružný disk 5^1/[4]" a 3^1/[2]":

                                    Mechaniky pružných disků (1)

*      Mechanika pružných disků (FDD -- Floppy Disk Drive) je zařízení pro čtení a zapisování na
pružné disky

*      Dnes se u počítačů PC používají zejména 3^1/[2]" HD mechaniky

                                    Mechaniky pružných disků (2)

*      Kromě mechanik pro pružné disky se u dneš-ních počítačů také velmi často používají i
mechaniky pro jiné typy disků (ZIP, LS120, JAZZ apod.), které poskytují vyšší rychlost a větší
kapacitu

*      Mechaniky pružných disků jsou připojeny k řadiči pružných disků (FDD controller), který řídí
jejich činnost

                                    Mechaniky pružných disků (3)

*      Řadič pružných disků bývá integrován:

  --   společně s řadičem pevných disků a popř. I/O kartou na samostatné desce, která je potom
  zapojena do některého ze slotů rozšiřující sběrnice

  --   přímo na základní desce počítače

*      Standardní řadič podporuje připojení max. 2 mechanik pružných disků

*      Připojení disketových mechanik k řadiči je pro-vedeno pomocí kabelu se 34 vodiči

                                    Mechaniky pružných disků (4)

*      Tento kabel může mít až 5 konektorů:

  --   1 pro připojení k řadiči

  --   2 pro připojení mechaniky 5^1/[4]":

    *   1 pro případ zapojení jako první mechaniky
    (v MS-DOSu a MS-Windows A:)

    *   1 pro případ zapojení jako druhé mechaniky
    (v MS-DOSu a MS-Windows B:)

  --   2 pro připojení mechaniky 3^1/[2]" (analogicky jako
  u mechanik 5^1/[4]"):

    *   1 pro případ zapojení jako první mechaniky (A:)

    *   1 pro případ zapojení jako druhé mechaniky (B:)

                                    Mechaniky pružných disků (5)

*      Propojení řadiče s 2. disketovou mechanikou je provedeno přímo (1:1), tj. kontakt 1 je na
řadiči spojen s kontaktem 1 mechaniky, kontakt 2 s kontaktem 2 atd.

*      Propojení první mechaniky již není (1:1), ale propojující kabel je překřížen

*      Podle tohoto překřížení je tedy rozlišeno, kte-rá mechanika je první a která je druhá

                                    Mechaniky pružných disků (6)

*      Zapojení mechanik pružných disků:

                                    Mechaniky pružných disků (7)

*      Čtení z (popř. zápis na) pružného disku v me-chanice probíhá ve třech krocích:

  --   vystavení čtecích (zapisovacích) hlav na požado-vanou stopu pomocí krokového motorku

  --   pootočení diskety na příslušný sektor

  --   zápis (čtení) sektoru

                                          Pevné disky (1)

*      Pevný disk (Hard Disk, Winchester disk, HDD -- Hard Disk Drive) je médium pro uchování dat
s vysokou kapacitou záznamu

*      Jedná se o uzavřenou nepřenosnou jednotku

                                          Pevné disky (2)

*      Uvnitř této jednotky se nachází několik nad sebou umístěných rotujících kotoučů (disků)

*      Tyto disky se otáčejí po celou dobu, kdy je pevný disk připojen ke zdroji elektrického
napájení

                                          Pevné disky (3)

*      Díky tomuto otáčení se v okolí disků vytváří tenká vzduchová vrstva, na níž se pohybují
čtecí/zapisovací hlavy

*      Vzdálenost hlav od disku je asi 0,3 až 0,6 mikronu

*      Podsystém pevného disku se skládá z:

  --   diskových jednotek

  --   desky rozhraní pevných disků

  --   příslušných kabelů propojujících diskové jednotky s deskou rozhraní

                                          Pevné disky (4)

*      Podsystém pevného disku:

                                    Parametry pevných disků (1)

*      Kapacita:

  --   množství informací, které lze na pevný disk uložit

  --   např.: 10 MB - 500 GB

*      Přístupová doba:

  --   doba, která je nutná k vystavení čtecích/zapisova-cích hlav na požadovaný cylindr

  --   např.: 3,6 - 65 ms  

*      Přenosová rychlost:

  --   počet bytů, které je možné z disku přenést za jed- nu sekundu    

  --   např.: 700 kB/s - řádově desítky MB/s

                                    Parametry pevných disků (2)

*      Počet otáček:

  --   počet otáček kotoučů pevného disku za jednu minutu

  --   např.: 3600, 5400, 7200, 10000, 15000 otáček/min

*      Kapacita cache paměti:

  --   kapacita vyrovnávací cache paměti pevného disku

  --   cache paměť pevného disku je realizována jako paměť typu DRAM

  --   např.: 0 - 8 MB

                                    Parametry pevných disků (3)

*      Velikost:        

  --   průměr disků použitých ke konstrukci pevného disku       

  --   např.: 2"; 3^1/[2]", 5^1/[4]"        

*      Počet cylindrů:        

  --   počet stop (cylindrů) na každém disku (řádově stovky až tisíce) 

*      Počet hlav:     

  --   odpovídá počtu povrchů, na které se provádí záz-nam     

  --   např: 2 - 16 hlav

                                    Parametry pevných disků (4)

*      Počet sektorů:         

  --   počet sektorů na každé stopě

  --   kapacita jednoho sektoru je standardně 512 B

  --   např. 8 - řádově stovky sektorů na stopu

*      Mechanismus vystavení hlav:    

  --   mechanismus, pomocí kterého se vystavují čtecí (zapisovací) hlavy na patřičný cylindr

  --   může být realizován pomocí:

    *   krokového motorku - u starších pevných disků

    *   elektromagnetu - u novějších (moderních) pevných disků

                                    Parametry pevných disků (5)

*      Typ rozhraní: 

  --   určuje, jaký typ rozhraní musí být v počítači osa-zen, aby bylo možné tento pevný disk
  připojit

  --   např.: ST506, ESDI, IDE, ATA (EIDE), SCSI, SATA

*      Podpora S.M.A.R.T.:

  --   podpora pro technologii S.M.A.R.T. (Self Monito-ring Analysis And Reporting Technology)

  --   pracuje tak, že disk sám sleduje určité své para-metry a vlastnosti, jejichž změna může
  indikovat blížící se poruchu

                                    Parametry pevných disků (6)

  --   umožňuje uživatele informovat o běžně nepozoro-vatelných problémech při práci pevného disku,
  např.:

    *   chybné čtení (chybný zápis) sektoru

    *   kolísání rychlosti otáček

    *   teplota uvnitř pevného disku

    *   počet realokovaných (vadných sektorů)

    *   doba provozu disku

    *   počet zapnutí pevného disku

  --   uživatel je tímto upozorňován, že by měl provést zálohu dat (výměnu pevného disku) ještě
  dříve, než dojde k havárii disku a tím i ztrátě dat

                                    Parametry pevných disků (7)

*      Typ hlav:        

  --   typ čtecích (zapisovacích) hlav, které jsou použity při konstrukci pevného disku     

  --   např.:

    *   Ferrite Heads:

      --   používány u prvních HDD (s kapacitou do 50 MB)

    *   MIG - Metal In Gap:

      --   podobné jako ferrite heads

      --   díky vylepšené konstrukci dovolovaly kapacity do 100 MB

    *   TFI - Thin Film Inductance:

      --   využívají technologii nanášení tenkých vrstev

      --   umožňují odstranit poměrně velké jádro cívky a nahradit jej malou destičkou na níž je
      nenesena feromagnetická slitina

                                    Parametry pevných disků (8)

      --   používány pro zápis i čtení u disků s kapacitou do 1 GB

      --   dodnes používány pro zápis (pro čtení je použit magnetorezis-tivní senzor)

    *   AMR - Anisotropic Magnetoresistive:

      --   pro zápis využívají TFI hlavu a pro čtení AMR senzor

      --   používány u disků s kapacitou do 30 GB

    *   GMR - Giant Magnetoresistive:

      --   pro zápis využívají TFI hlavu a pro čtení GMR senzor

      --   používány u disků s kapacitou nad 30 GB

*      Metoda kódování dat:      

  --   způsob, kterým jsou data při zápisu na disk kódo-vána

  --   např.: MFM, RLL ARLL, ERLL, EPRML

                                    Parametry pevných disků (9)

*      ZBR:    

  --   metoda, která dovoluje zapisovat na stopy, jež jsou vzdálenější od středu pevného disku (jsou
  větší), vyšší počet sektorů

                                    Geometrie pevných disků (1)

*      Jednotlivé disky (kotouče), ze kterých se celý pevný disk skládá, jsou podobně jako u
pruž-ného disku rozděleny do soustředných kruž-nic nazývaných stopy (tracks)

*      Každá stopa je rozdělena do sektorů (sectors)

*      Množina všech stop na všech discích se stej-ným číslem se u pevných disků označuje jako válec
(cylinder)

                                    Geometrie pevných disků (2)

                                    Geometrie pevných disků (3)

*      Geometrie disku udává hodnoty následujících parametrů:

  --   počet čtecích/zapisovacích hlav:

    *   shodný s počtem aktivních ploch, na které se provádí záznam

  --   počet stop:

    *   počet stop na každé aktivní ploše disku

    *   stopy disku bývají číslovány od nuly, přičemž číslo nula je číslo vnější stopy disku

                                    Geometrie pevných disků (4)

  --   počet cylindrů:

    *   shodný s počtem stop

    *   číslování cylindrů je shodné s číslováním stop

  --   přistávací zóna (landing zone):

    *   číslo stopy (cylindru), která slouží jako přistávací zóna pro čtecí/zapisovací hlavy

  --   počet sektorů:

    *   počet sektorů, na které je rozdělena každá stopa

    *   může být variabilní (v případě použití techniky ZBR)

                                     Činnost pevného disku (1)

*      Zápis (čtení) na (z) pevný(ého) disk probíhá podobně jako u pružného disku na magnetic-kou
vrstvu ve třech krocích:

  --   vystavení zapisovacích (čtecích) hlav na příslušný cylindr

  --   pootočení disků na patřičný sektor

  --   zápis (načtení) dat

                                     Činnost pevného disku (2)

*      Fyzické uložení dat na pevný disk bývá pro-váděno pomocí:

  --   vertikálního mapování (vertical mapping):

    *   data jsou zapsána (čtena) postupně do (z) jednotlivých stop stejného cylindru

    *   poté je proveden přechod na následující cylindr

                                     Činnost pevného disku (3)

  --   horizontálního mapování (horizontal mapping):

    *   data jsou zapsána (čtena) postupně do (z) jednotlivých stop stejného povrchu

    *   poté je proveden přechod na následující povrch

    *   méně používané

                                     Činnost pevného disku (4)

  --   kombinace vertikálního a horizontálního mapo-vání (vertical/horizontal mapping):

    *   uvnitř zón je použito horizontálního mapování

    *   mezi zónami je použito vertikálního mapování

                                     Činnost pevného disku (5)

*      Na základě parametrů HDD lze určit jeho maximální přenosovou rychlost:

                                         Možnosti zvyšování
                                     kapacity pevných disků (1)

*      Kapacitu pevných disků lze zvýšit:

  --   zvětšením rozměrů disku: nevhodné řešení

  --   zvětšením počtu povrchů: omezené možnosti

  --   volbou kódování: menší počet impulsů (a větší počet mezer) dovoluje uložit více informací

  --   použitím ZBR: technika dovolující uložit na různé stopy  různý počet sektorů (na krajní stopy
  vyšší počet)

                                         Možnosti zvyšování
                                     kapacity pevných disků (2)

  --   zvýšením hustoty záznamu:

    *   vyžaduje zmenšení rozměrů elementárního magnetu

    *   vede k nutnosti snížení intenzity magnetického pole vytvářeného zapisovací hlavou (v opačném
    případě by při záznamu docházelo k destrukci okolních informací)

    *   zmenšení rozměrů elementárního magnetu způsobí i menší hodnotu jeho výsledného magnetického
    toku

    *   vyžaduje vyšší citlivost čtecí hlavy

    *   původní (TFI) hlava svou citlivostí nedostačuje

    *   v současné době se používají tzv. magnetorezistivní hlavy (MR heads)

                                    Magnetorezistivní hlavy (1)

*      Magnetorezistivní hlavy se skládají ze dvou částí:

  --   TFI hlava: slouží pouze pro zápis dat

  --   magentorezistivní senzor: slouží ke čtení dat

*      Magnetorezistivní senzor je vyroben ze sli-tin, které pokud jsou vystaveny působení
magnetického pole, mění svůj elektrický odpor

                                    Magnetorezistivní hlavy (2)

*      Výhodou tohoto řešení je, že magnetorezis-tivní senzor vykazuje při čtení mnohem vět-ší
citlivost než dříve používaná TFI hlava

                                    Magnetorezistivní hlavy (3)

*      Podle typu magnetorezistivního senzoru je možné tento typ hlav dále rozdělit na:

  --   AMR hlavy:

    *   anisotropní magnetorezistivní hlavy

    *   max. hustota záznamu cca 3 Gb/in^2

  --   GMR hlavy:

    *   giant magnetorezistivní hlavy

    ^*     max. hustota záznamu cca 10 Gb/in^2 až 35 Gb/in^2

*      Pozn.: TFI hlava dovoluje max. hustotu záznamu do 1 Gb/in^2

                                             AMR hlavy

*      AMR senzor bývá  nejčastěji vyroben ze slitiny Ni a Fe

*      V této slitině se vodivé elektrony pohybují
s menší volností (dochází k častějším koli-zím s atomy), když jejich pohyb je rovno-běžný s
magnetickou orientací materiálu, tzv. magnetorezistivní efekt

*      Jestliže se elektrony v materiálu pohybují s menší volností, potom je elektrický odpor tohoto
materiálu větší

                                           GMR hlavy (1)

*      Giant magnetorezistivní senzor využívá giant magnetorezistivního jevu

*      GMR seznor je vyroben ze čtyřech vrstev (tzv. filmů):

  --   citlivá vrstva (sensing layer): slitina Ni a Fe

  --   vodivý oddělovač (conducting spacer): Cu

  --   pevná vrstva (pinned layer): Co

  --   výměnná vrstva (exchange layer): antiferomag-netický materiál

                                           GMR hlavy (2)

*      První tři vrstvy jsou velmi tenké, takže do-volují, aby se vodivé elektrony pohybovaly z
citlivé vrstvy přes vodivý oddělovač do pevné vrstvy a nazpět

*      Magnetická orientace pevné vrstvy je drže-na přilehlou výměnnou vrstvou, zatímco magnetická
orientace citlivé vrstvy se mění podle působení magnetického pole elemen-tárního magnetu

                                           GMR hlavy (3)

*      Změna  magnetické orientace citlivé vrstvy způsobuje změnu elektrického odporu ce-lého
magnetorezistivního senzoru (vyjma výměnné vrstvy)

*      GMR senzory využívají kvantové povahy elektronů, které mají dva směry spinu

*      Vodivé elektrony, jejichž směr spinu je shodný s magnetickou orientací materiálu, se pohybují
volně a způsobují tak malý odpor celého senzoru

                                           GMR hlavy (4)

*      Naopak u vodivých elektronů, jejichž spin je opačný vzhledem k magnetické orientaci 
materiálu, dochází k častějším kolizím s atomy vrstev, ze kterých je senzor vyro-ben, což způsobuje
jeho větší elektrický odpor