2.5. Кассетные накопители на магнитной ленте

Общая характеристика. Накопители на магнитных лентах (НМЛ) используются в ПЭВМ в основном для защиты (хранения, резервирования) содержимого НЖМД - запасных копий програм­много обеспечения и данных.

Главные преимущества НМЛ перед другими ВЗУ с магнитной записью - низкая удельная стоимость накопителя и сменных но­сителей информации, малые габаритные размеры и масса, отнесен­ные к единице хранимой информации. Широкое распространение получили кассетные накопители на магнитной ленте (КНМЛ), хотя в некоторых случаях могут использоваться и бобинные НМЛ.

В современных КНМЛ обеспечивается высокая плотность записи информации, позволяющая хранить до 250 Мбайт и более данных на одной кассете. При применении тонкодорожечной

53

технологии достигаются емкости до 2 Гбайт и более. Кассетные накопители относительно дешевы, используют сменный носитель, поэтому, если требуется сохранение информации в ПЭВМ при отказе НЖМД, прибегают к их использованию, хотя КНМЛ и обеспечивают мень­шие скорости записи-считывания (типичная средняя скорость 100 Кбайт/с).

Конструкции кассетных НМЛ, как правило, несложные, ком­пактные, удобные в эксплуатации и позволяют встраивание в корпус ПЭВМ или выполнение в настольном 'виде (внешние).

Лентопротяжные механизмы дешевых КНМЛ аналогичны ис­пользуемым в бытовых магнитофонах. В профессиональных КНМЛ (более дорогих) применяются сложные устройства привода ведущего вала и стабилизации скорости движения магнитной ленты. В по­следних могут использоваться как аудио-, так и видеоленты.

По режимам работы КНМЛ могут быть подразделены на старт-стопные и с непрерывной (потоковой) передачей данных, так называемые стримеры (stream - поток). Наибольшее распространение получили КНМЛ, работающие в потоковом режиме (стримеры).

2.6. Накопители информации на оптических дисках

Потребность общества в устройствах памяти сверхбольшой емкости привела к тому, что в последние годы стали серийно выпускаться накопители на оптических дисках (НОД), пригодные для комплектации ими и профессиональных ПЭВМ.

НОД применяются при создании различных баз данных: архи­вации, размножения, сбыта документации и программного обеспе­чения; издания и хранения энциклопедий, справочников, руководств и т. п. Большие объемы памяти требуются в САПР и АРМ на основе ПЭВМ для хранения как окончательных, так и промежу­точных технических решений и чертежей. В частности, перспективна замена

54

хранения микрофильмов документации записью ее содер­жимого на оптические диски. Кроме того, НОД могут эффективно использоваться в ПЭВМ для дополнения, разгрузки и защиты же­стких магнитных дисков типа «винчестер».

Области применения НОД в настоящее время уточняются, однако ряд достоинств НОД позволяет считать, что сфера использования их в ПЭВМ будет непрерывно расширяться. Основные преимущества НОД по сравнению с накопителями на магнитных носителях сле­дующие:

1) высокая плотность записи информации (как минимум в 10 раз выше, чем на любом магнитном носителе);

2) низкая удельная стоимость хранения единицы информации;

3) универсальность, т. е. пригодность для хранения информации, заданной в различных формах (текстовой, графической, видео, музыкальной и т.д.);

4) возможность тиражирования, т. е. быстрой перезаписи огром­ных объемов информации при сравнительно небольших затратах;

5) длительный срок возможного автономного хранения и службы сменного оптического диска, малая подверженность его воздействию внешних факторов (пыли, температуры, влаги, механических ца­рапин, радиации, магнитных полей и др.).

К существенным недостаткам НОД, влияющим на темпы их широкого внедрения в ПЭВМ, относятся сравнительно большое время доступа к информации, а также наличие прецизионных механических и оптических узлов, не выдерживающих воздействия ударов и виб­рации.

По способу организации записи-считывания НОД могут быть разделены на три больших класса.

55

Первый класс составляют постоянные НОД (Read Only), информация на которые записывается в процессе их произ­водства предприятием-изготовителем. С таких НОД возможно толь­ко считывание информации. Разновидностью их являются компакт-дисковые ПЗУ (CD ROM), похожие на компакт-диски, используемые в проигрывателях. Недорогие компакт-дисковые ПЗУ - отличное средство для распространения документации, создания простых баз данных, технических руководств, энциклопедий и для хранения других медленно меняющихся во времени материалов с высоким уровнем информационного содержания, для которых время доступа, скорость переноса данных или их быстрое обновление не имеют первостепенной важности. Особо отметим, что компакт-дисковые ПЗУ позволяют решать проблему перегрузки огромными объемами данных, которая возникла в профессиональных ПЭВМ в связи с началом работы со смешанными типами данных (мультимедиа), например видео- и аудиоданными и т. п.

Ко второму классу относятся НОД с однократной записью и многократным считыванием (Write Once Read Many). Запись на них производится пользователем ПЭВМ однократно в ходе работы, при этом стирание и перезапись информации невоз­можны. Основное назначение НОД этого класса состоит в хранении значительных объемов вновь поступающей информации. Некоторые типичные приложения такой памяти включают инженерное проек­тирование, финансовую отчетность, управление графической ин­формацией, обеспечение работы ПЭВМ, накопление данных и др.

Третий класс включает НОД, допускающие стирание и многократную перезапись информации (Erasable). Оптические НОД данного класса могут применяться так же, как магнитная память, требующая съема носителя (для безопасного хранения ин­формации, а также в тех случаях, когда надо иметь резервную базу данных). Они

56

также конкурируют с подсистемами на магнитных лентах при использовании вспомогательных баз данных.

Каждый из рассматриваемых классов НОД имеет свои особен­ности и характеристики.

Важное значение при реализации НОД играют применяемая запоминающая среда и способ представления двоичной информации на оптическом диске. Применяется несколько способов записи ин­формации: абляционный - путем прожигания отверстий в непроз­рачной среде оптического носителя; с помощью локального изме­нения коэффициента отражения среды, т. е. пузырьков, вздутий; перевод запоминающей среды из кристаллической фазы в аморфную и наоборот; трансформирование магнитного состояния структуры при записи-считывании; изменение цвета локальной области. Пер­вые два способа используются при «нестираемой» оптической записи, получившей наибольшее распространение в НОД ПЭВМ, остальные позволяют реализовывать НОД с многократной перезаписью ин­формации.

Основой оптического диска служит круглая подложка диаметром чаще всего 305, 203, 133 или 89 мм, изготавливаемая из полимеров с использованием поликарбоната, из полиметилметакрилата или из стекла. Материал подложки должен обеспечивать высокое качество поверхности, большую температурную и временную стабильность механических и оптических параметров диска. Для обеспечения высоких скоростей вращения диска подложка должна иметь доста­точную механическую прочность.

В качестве информационного носителя в оптических дисках ис­пользуются многослойные пленочные структуры. На исходную под­ложку наносится отражающий слой, обычно из алюминия, обеспе­чивающий более рациональное использование энергии луча при записи информации и лучшее соотношение сигнал - шум при считывании. На отражающий слой наносится слой диэлектрика с низкой

57

теплопроводностью, который предотвращает распространение теплоты к хорошо проводящему тепло отражающему слою. Далее следует тонкий информационный (фиксирующий) слой из металлов или сплавов с низкой температурой плавления. Как правило, это соединение теллура с мышьяком и селеном или свинцом и селеном. Поверх информационного слоя наносится защитное покрытие. Уп­рощенная структурная схема НОД приведена на рис.2.4.[7].

Рис.2.4. Упрощенная структурная схема НОД

При записи луч полу­проводникового лазерно­го диода, управляемого данными записи через коллиматор, а также че­рез зеркало и линзу объ­ектива, прожигает отвер­стие в информационном слое диска. Наличие от­верстия соответствует за­писи логической едини­цы. При считывании не­управляемый (получае­мый из делителя луча) лазерный луч, имеющий пониженную мощность, выходит на рабочую поверхность диска через другой делитель луча и зеркало, используя тот же объектив (в режиме чтения зеркало вращается и перемещается). Отраженный свет через делитель луча попадает на фотодиод, сигнал которого обрабатывается электрон­ными схемами считывания. Точная установка луча на дорожке диска обеспечивается сервоблоком дорожки, фокусировка - сервоблоком фокусировки, а постоянное число оборотов - сервоблоком вращения диска.

58

Помимо прожигающего способа записи, широко используется спо­соб, связанный с формированием вздутий (микропузырьков) в ло­кальных областях, засвечиваемых лазерным лучом. Структура такого оптического диска подобна структуре для записи абляционным способом, но имеет принципиальные отличия. В данном случае собственно информационным слоем служит диэлектрик с низкой температурой испарения, на поверхность которого фокусируется лазерный луч при записи информации. Поверх него нанесен слой тугоплавкого металла (например, титана, платины, золота) с вы­сокой теплопроводностью и прозрачностью. Образующиеся при на­греве поверхности информационного диэлектрического слоя газы воздействуют на металлический слой, приводя к возникновению в локальных областях микровздутий. В местах вздутий имеет место сильное отражение лазерного луча от поверхности, что позволяет получать при считывании высокое отношение сигнал - шум.

Наиболее перспективным классом НОД являются накопители, использующие оптические диски с перезаписью информации (мно­гократного использования со стиранием). В конструкциях некоторых оптических дисков со стиранием применяется эффект термического перехода аморфной фазы вещества в кристаллическую под действием световой энергии. При этом изменяются оптические свойства ве­щества. В некоторых аморфных полупроводниках (халькогенидных стеклах) при облучении сдвигается край оптического поглощения, что может быть использовано для записи информации. При записи лазерный луч переводит выбранную микрообласть на носителе из кристаллического состояния, при ко­тором коэффициент отражения велик, в аморфное с малым коэф­фициентом отражения. Стирание осуществляется более мощным световым лучом, возвращающим микрообласть в кристаллическое состояние.

Второй наиболее распространенной разновидностью оптических дисков с перезаписью являются магнитооптические диски

59

(МОД), которые позволяют достигать высокой плотности записи при прак­тически неограниченном числе циклов перезаписи информации. В накопителях с магнитооптическими дисками (НМОД) запись ин­формации проводится термомагнитным способом путем нагрева им­пульсом полупроводникового лазера микроучастка запоминающей среды до температуры, близкой к температуре Кюри, при одновре­менном воздействии слабым магнитным полем. Вследствие нагрева коэрцитивная сила участка информационной среды снижается в несколько десятков раз и происходит его перемагничивание. Счи­тывание записанной информации производится когерентным излу­чением за счет использования магнитооптических эффектов Керра (изменение поляризации при отражении) и Фарадея (вращение плоскости поляризации света при прохождении через намагничен­ный участок). Поляризованный определенным образом луч лазера отражается от запоминающей среды или проходит через нее. В обоих случаях осуществляется дальнейшее детектирование сигнала считывания. Для изготовления МОД в настоящее время в качестве рабочего слоя носителя, как правило, применяются аморфные плен­ки на основе сплавов Тb - Fe.

За рубежом НОД серийно выпускаются различными фирмами. Особенно преуспели японские и американские фирмы Canon, Matsushita (Panasonic), Maxtor, Ricoh, Sharp, Sony, Hitachi, JVC, Verbatim и др.

Наибольшее развитие получили НОД, использующие сменные компакт-диски ПЗУ диаметром 133 мм. В настоящее время выпускаются НОД на компакт-дисках ПЗУ, работающие с учетверенной (и даже с 24-кратной) скоростью. Они позво­ляют увеличивать скорость передачи данных до 1 - 2 Мбайт/с.

Широкое внедрение НОД в ПЭВМ до настоящего времени сдерживалось отсутствием международных стандартов по носителям, форматам записи, размерам дисков, интерфейсам, программ

60

ному обеспечению и т.д. До сих пор в моделях НОД используются два основных формата оптических дисков, предусматривающих существенно различные схемы разметки записи на дисках: запись с постоянной угловой скоростью и с постоянной линейной скоростью. В системах с постоянной угловой скоростью электродвигатель вра­щает диск с постоянной скоростью, и в это время данные записы­ваются на кольцевых дорожках, причем дорожки делятся на секторы подобно тому, как это делается на магнитных дисках. Схема записи с постоянной линейной скоростью предусматривает использование дорожек спиральной формы и электродвигателя с переменной ско­ростью вращения, с тем чтобы обеспечить постоянство переноса данных под головкой считывания-записи и увеличить плотность записи на дорожках.

В настоящее время Международной организацией по стандарти­зации (МОС) разработаны стандарты (ISO) на НОД с диаметром диска 133 и 89 мм, что, очевидно, обеспечит совместимость изделий, откроет более широкие перспективы массового использования НОД в ПЭВМ. Совершенствование технико-экономических показателей современных оптических накопителей информации позволяет уже сейчас использовать системы, которые могут не только считывать, но и многократно записывать данные. Нестандартные форматы позволяют иметь емкость до 900...1500 Мбайт. Для увеличения информационной емкости, уменьшения времени доступа, повышения скорости обмена данными в современных моделях ПЭВМ исполь­зуются различные технические приемы: совершенствования технологии оптических носителей, повышение скорости вращения дисков (до 2000...4500 об/мин), кэширование и буферная память, приме­нение новых конструкций магнитных головок.

61