磁表面存儲(chǔ)器

在磁表面存儲(chǔ)器中，利用一種稱為磁頭的裝置來形成和判別磁層中的不同磁化狀態(tài)。磁頭實(shí)際上是由軟磁材料做鐵芯繞有讀寫線圈的電磁鐵。

1、寫操作:當(dāng)寫線圈中通過一定方向的脈沖電流時(shí)，鐵芯內(nèi)就產(chǎn)生一定方向的磁通。

寫入信息時(shí)，在磁頭的寫線圈中通過一定方向的脈沖電流，磁頭鐵芯內(nèi)產(chǎn)生一定方向的磁通，在磁頭縫隙處產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場形成一個(gè)閉合回路，磁頭下的一個(gè)很小區(qū)域被磁化形成一個(gè)磁化元(即記錄單元)。若在磁頭的寫線圈中通過相反方向的脈沖電流，該磁化元?jiǎng)t向相反方向磁化，寫入的就是"0"信息。待寫入脈沖消失后，該磁化元將保持原來的磁化狀態(tài)不變，達(dá)到寫入并存儲(chǔ)信息的目的。

2、讀操作:當(dāng)磁頭經(jīng)過載磁體的磁化元時(shí)，由于磁頭鐵芯是良好的導(dǎo)磁材料，磁化元的磁力線很容易通過磁頭而形成閉合磁通回路。不同極性的磁化元在鐵芯里的方向是不同的。

讀出信息時(shí)，磁頭和磁層作相對運(yùn)動(dòng)，當(dāng)某一磁化元運(yùn)動(dòng)到磁頭下方時(shí)，磁頭中的磁通發(fā)生大的變化，于是在讀出線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢e，其極性與磁通變化的極性相反，即當(dāng)磁通Φ由小變大時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢e為負(fù)極性;當(dāng)磁通Φ由大變小時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢e為正極性。這不同方向的感應(yīng)電動(dòng)勢經(jīng)放大、檢波和整形后便可鑒別讀出的信息是"0"還是"1"，從而完成讀出功能。

3、通過電磁變換，利用磁頭寫線圈中的脈沖電流，可把一位二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成載磁體存儲(chǔ)元的不同剩磁狀態(tài);反之，通過磁電變換，利用磁頭讀出線圈，可將由存儲(chǔ)元的不同剩磁狀態(tài)表示的二進(jìn)制代碼轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。這就是磁表面存儲(chǔ)器存取信息的原理。

4、磁層上的存儲(chǔ)元被磁化后，它可以供多次讀出而不被破壞。當(dāng)不需要這批信息時(shí)，可通過磁頭把磁層上所記錄的信息全部抹去，稱之為寫"0"。通常，寫入和讀出是合用一個(gè)磁頭，故稱之為讀寫磁頭。每個(gè)讀寫磁頭對應(yīng)著一個(gè)信息記錄磁道。

1、磁表面存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn):

①存儲(chǔ)容量大，位價(jià)格低;

②記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用;

③記錄信息可以長期保存而不丟失，甚至可以脫機(jī)存檔;

④非破壞性讀出，讀出時(shí)不需要再生信息。

2、磁表面存儲(chǔ)器的缺點(diǎn)

存取速度較慢，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對工作環(huán)境要求較高。

磁表面存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)為存儲(chǔ)容量大、單位價(jià)格低、記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用、記錄信息可以長期保存而不丟失，甚至可以脫機(jī)存檔、非破壞性讀出，讀出時(shí)不需要再生信息。當(dāng)然，磁表面存儲(chǔ)器也有缺點(diǎn)，主要是存取速度較慢，機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對工作環(huán)境要求較高。磁表面存儲(chǔ)器由于存儲(chǔ)容量大，單位成本低，多在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中作為輔助大容量存儲(chǔ)器使用，用以存放系統(tǒng)軟件、大型文件、數(shù)據(jù)庫等大量程序與數(shù)據(jù)。

磁表面存儲(chǔ)器又可分為磁帶存儲(chǔ)器和磁盤存儲(chǔ)器兩大類。磁帶存儲(chǔ)器是一種順序存取的設(shè)備，存取時(shí)間較長，但存儲(chǔ)容量大，便于攜帶，價(jià)格便宜，是一種主要的輔助存儲(chǔ)器。磁帶的內(nèi)容由磁帶機(jī)進(jìn)行讀寫，按磁帶機(jī)的讀寫方式分為啟停式和數(shù)據(jù)流式兩種。

磁盤存儲(chǔ)器的主要指標(biāo)包括存儲(chǔ)密度、存儲(chǔ)容量、存取時(shí)間及數(shù)據(jù)傳輸率。

存儲(chǔ)密度:存儲(chǔ)密度分道密度、位密度和面密度。道密度是指沿磁盤半徑方向單位長度上的磁道數(shù)，單位為道/英寸。位密度是磁道單位長度上能記錄的二進(jìn)制代碼位數(shù)。單位為位/英寸。面密度是位密度和道密度的乘積，單位為位/平方英寸。

存儲(chǔ)容量:一個(gè)磁盤存儲(chǔ)器所能存儲(chǔ)的字節(jié)總數(shù)，稱為磁盤存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。存儲(chǔ)容量有格式化容量和非格式化容量之分。格式化容量是指按照某種特定的記錄格式所能存儲(chǔ)信息的總量，也就是用戶可以真正使用的容量。非格式化容量是磁記錄表面可以利用的磁化單元總數(shù)。將磁盤存儲(chǔ)器用于共計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，必須首先進(jìn)行格式化操作，然后才能供用戶記錄信息。格式化容量一般是非格式化容量的60%~70%。目前，3.5英寸的硬盤機(jī)容量可達(dá)160 GB。

磁表面存儲(chǔ)器由于存儲(chǔ)容量大，位成本低，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中作為輔助大容量存儲(chǔ)器使用，用以存放系統(tǒng)軟件、大型文件、數(shù)據(jù)庫等大量程序與數(shù)據(jù)信息。

磁表面存儲(chǔ)器是目前使用最廣泛的外存儲(chǔ)器。所謂磁表面存儲(chǔ)，是用某些磁性材料薄薄地涂在金屬鋁或塑料表面作載磁體來存儲(chǔ)信息。根據(jù)記錄載體的外形，磁表面存儲(chǔ)器有磁鼓、磁帶、磁盤、磁卡等。而在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中廣泛使用的是磁盤和磁帶;特別是磁盤，幾乎是稍具規(guī)模系統(tǒng)的基本配置。

1. 基體與磁層

在磁表面存儲(chǔ)器中，記錄信息的介質(zhì)是一層很薄的磁層，它需要依附于具有一定機(jī)械強(qiáng)度的基體之上。根據(jù)不同磁表面存儲(chǔ)器的需要，基體分為軟質(zhì)基體與硬質(zhì)基體兩大類,它們所要求的磁層材料與制造工藝也相應(yīng)不同。

(1)軟質(zhì)基體與磁層

磁帶的運(yùn)行方式要求采用軟質(zhì)基體，如聚酯薄膜帶。軟盤的盤片在工作時(shí)與磁頭接觸，為了減少磁頭磨損，也要求用軟質(zhì)基體，如聚酯薄片。

將具有距磁特性的氧化鐵微粒，滲入少量鈷，用樹脂粘合劑混合后，涂敷在基本

體之上加工形成約1微米厚的均勻磁層。這就是記錄信息用介質(zhì)，屬于顆粒型材料。

(2)硬質(zhì)基體與磁層

硬盤的運(yùn)行方式對基體與磁層要求更高，一般采用鋁合金硬質(zhì)盤片作為基體。為了進(jìn)一步提高片光潔度與硬度，一些新型硬盤采用工程塑料、陶瓷、玻璃作為基體。

硬盤一般采用電鍍工藝在盤片上形成一個(gè)很薄的磁層，所用材料為具有矩磁特性的鐵鎳鈷合金。電鍍形成的磁層屬于連續(xù)型非顆粒型材料，又稱薄膜介質(zhì)，其均勻性與性能大為提高。磁層厚度大約只有0.1-0.2微米

，上面再鍍一層保護(hù)膜，增加抗磨性和抗腐蝕性。 在更新的硬盤中，采用濺射工藝形成薄膜磁層，即用粒子撞擊陰極，使陰極處的磁性材料原子淀積為磁性薄膜。其性能優(yōu)于鍍膜。

為了增加讀出信號(hào)的幅度，希望選用材料的剩磁感應(yīng)強(qiáng)度 比較大。但 過大，磁化狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)間增加，因而影響記錄密度。為了提高激勵(lì)密度，要求磁層盡量薄。以減少磁化所需時(shí)間;磁層薄又使磁通變化量 減少，將影響讀出信號(hào)幅度。這就要求改進(jìn)讀出放大的電子技術(shù)，以降低對磁層制造工藝的要求，或在相同工藝水平條件下，提高密度與可靠性。

此外，要求磁層內(nèi)部無缺陷，表面組織致密、光滑、平整，磁層厚薄均勻，無污染，對環(huán)境溫度不敏感，性能穩(wěn)定。

磁頭是實(shí)現(xiàn)讀/寫的關(guān)鍵元件。寫入時(shí)，將脈沖代碼以磁化電流形式加入磁頭線圈，使記錄介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的磁化狀態(tài)，即電磁轉(zhuǎn)換。讀出時(shí)，磁層中的磁化翻轉(zhuǎn)使磁頭的讀出線圈產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)，即磁電轉(zhuǎn)換。

圖3-1 磁頭原理圖

圖3-1是磁頭的原理性示意圖。磁頭由高導(dǎo)磁材料構(gòu)成，上面繞有線圈，有一個(gè)線圈兼做寫入磁化與讀出，或分設(shè)讀磁頭與寫磁頭。磁頭面向記錄介質(zhì)的部分開有間隙，稱作磁頭間隙，簡稱頭隙。如果沒有這個(gè)間隙，磁化電流產(chǎn)生的磁通將只在閉合磁路中流過，對記錄介質(zhì)沒有作用。開了間隙后，大部分磁通將流經(jīng)頭隙所對應(yīng)的記錄介質(zhì)局部區(qū)域，使該作用區(qū)留下某種磁化狀態(tài)。讀出時(shí)，記錄信息的介質(zhì)經(jīng)過磁頭，由于對著磁頭的區(qū)域中存在磁化狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，若由正向飽和變?yōu)樨?fù)向飽和，或由負(fù)向飽和變?yōu)檎蝻柡?，使磁頭的磁路中發(fā)生磁通變化 。讀出線圈產(chǎn)生感應(yīng)電勢，即讀出信號(hào)。因此頭曦部分的形狀與尺寸至關(guān)重要，又稱工作間隙。磁頭的磁路其余部分既可做成環(huán)狀，也可做成馬蹄形，影響不大。

在磁盤或磁帶進(jìn)行讀/寫時(shí)，記錄介質(zhì)運(yùn)動(dòng)而磁頭不動(dòng)，磁頭在記錄介質(zhì)上的磁化區(qū)形成磁道。磁化后，磁道中心部分達(dá)到磁飽和，而磁道兩側(cè)的邊緣部分磁化不足。在寫入后，常將兩側(cè)進(jìn)行清洗，稱為夾縫清除。

從磁頭的任務(wù)來看，在磁盤中，每個(gè)記錄面有一個(gè)磁頭，兼做讀磁頭與寫磁頭，又稱復(fù)合磁頭。在磁帶機(jī)中，經(jīng)常一次并行地讀/寫幾個(gè)磁道。每個(gè)磁道中有一對磁頭:一個(gè)讀磁頭和一個(gè)寫磁頭，可以實(shí)現(xiàn)寫后讀出檢查。將幾個(gè)磁道的讀磁頭與寫磁頭裝配為一體，道間加屏蔽，稱為組合頭快。

從制造工藝方面來看，分為早期的傳統(tǒng)工藝磁頭與近期的薄膜磁頭。

在早期的制造工藝中，或是用高導(dǎo)磁率鐵淦氧材料熱壓成形，或用高導(dǎo)磁率鐵鎳合金(坡莫合金)疊片組裝成形。通常是先制成幾部分其中一段繞有線圈，然后將他們粘接起來。用于軟盤的磁頭，將上述鐵芯封裝在特種塑料外殼里，外殼做成球面形或平面扣子形，便于安裝和定位，并使磁頭與盤面接觸良好，工作時(shí)磨損小。用于硬盤的磁頭，將鐵芯封裝在一個(gè)陶瓷塊內(nèi)，該陶瓷塊稱為浮動(dòng)塊，工作時(shí)可由氣墊使其浮空于盤面上;后來又將鐵芯和浮動(dòng)塊改為用同樣的材料制成。

近期的硬盤采用薄膜磁頭，用類似于半導(dǎo)體工藝的淀積和成形技術(shù)，在基板上形成坡莫合金的鐵芯，和具有一定匝數(shù)的線圈，如平面螺旋式導(dǎo)體線圈。由于制造成型過程中使用掩模光刻技術(shù)，精度很高，可以獲得比較理想的極尖形狀和工作間隙;然后在基板上燒固一層氧化鋁和碳化鈦，再切割加工成浮動(dòng)塊。相比之下，薄膜磁頭在各方面的性能均優(yōu)于傳統(tǒng)工藝磁頭。

在t→t1 時(shí)線圈中流過正向電流 ，則磁頭下方將出現(xiàn)一個(gè)與此對應(yīng)的磁化區(qū)。磁通進(jìn)入磁層的一側(cè)為S極，離開磁層的一側(cè)為N極。如果磁化電流足夠大，S極與N極之間被磁化到正向磁飽和，以后將留下剩磁 ，用箭頭 表示。由于磁層是拒磁材料，剩磁 的大小與飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度 相差無幾。

從t=t1 (電流方向變化前)，由于記錄磁層向左運(yùn)動(dòng)，而磁化電流維持 不變，相應(yīng)地出現(xiàn)(b)所示磁化狀態(tài)。即S極左移一段距離 ，而N極仍位于磁頭作用區(qū)右側(cè)不變。

當(dāng)t→t2 時(shí)，磁化電流改變方向， ，相應(yīng)地磁層中的磁化狀態(tài)也出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，如(c)所示。移離磁頭作用區(qū)的S極以及一段 區(qū)，維持原來磁化狀態(tài)不變(剩磁)。而磁頭作用區(qū)下出現(xiàn)新的磁化區(qū)，左側(cè)為N極，右側(cè)為S極，N-S之間是負(fù)向磁飽和區(qū) ，用箭頭 表示。

圖3-2 讀/寫過程示意圖

于是，在記錄磁層中留下一個(gè)對應(yīng)于 的位單元，它的起始處與結(jié)束處兩側(cè)各有一個(gè)磁化狀態(tài)的轉(zhuǎn)變區(qū)。根據(jù)轉(zhuǎn)變區(qū)的存在及其性質(zhì)(位置、方向、頻率等)，體現(xiàn)所存儲(chǔ)的信息。

讀出時(shí)，磁頭線圈不加磁化電流，作為讀出線圈使用。當(dāng)已經(jīng)磁化的記錄磁層位于磁頭下方時(shí)，由于鐵芯部分的磁阻遠(yuǎn)小于頭隙磁阻，則記錄磁層與磁頭鐵芯形成一個(gè)閉合磁路。大部分磁通將流經(jīng)鐵芯再回到磁層。如果記錄磁層在磁頭下方運(yùn)動(dòng)，則各位單元將依次經(jīng)過磁頭下方。每當(dāng)轉(zhuǎn)變區(qū)經(jīng)過磁頭下方時(shí)，鐵芯中的磁通方向也將隨之改變，于是在讀出線圈產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電勢。

感應(yīng)電勢e即讀出信號(hào)，它的方向取決于記錄磁層轉(zhuǎn)變區(qū)方向(由 變?yōu)?，或者由 變?yōu)?)，其幅值大小則與 值有關(guān)(最大變化量 )。

如果記錄磁層中沒有轉(zhuǎn)變區(qū)，維持一種剩磁狀態(tài)( 或 )，則磁層經(jīng)過磁頭下方時(shí)，鐵芯中磁通沒有變化，也就沒有讀出信號(hào)。

根據(jù)上述讀/寫原理，歸納磁表面存儲(chǔ)器具有如下特點(diǎn):

①記錄信息可以長期保存，屬于非易失性存儲(chǔ)器(原則上允許記錄介質(zhì)脫機(jī)保存，但要注意防止外界強(qiáng)磁場破壞其剩磁狀態(tài));

②非破壞性讀出，讀出不影響所存信息;

③記錄介質(zhì)可以重復(fù)使用;

④由于是連續(xù)記錄，所以存取方式基本上是順序存取方式，不能如RAM那樣隨機(jī)訪問;

⑤由于是連續(xù)記錄，需要比較復(fù)雜的尋址定位系統(tǒng);

⑥由于在相對運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行讀寫，可靠性低于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，需要比較復(fù)雜的校驗(yàn)技術(shù)。

1.按存儲(chǔ)介質(zhì)分類

(1)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器用半導(dǎo)體器件組成的存儲(chǔ)器稱為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器;特點(diǎn):集成度高、容量大、體積小、存取速度快、功耗低、價(jià)格便宜、維護(hù)簡單.主要分兩大類:雙極型存儲(chǔ)器:TTL型和ECL型.金屬氧化物半導(dǎo)體存儲(chǔ)器(簡稱MOS存儲(chǔ)器):靜態(tài)MOS存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)MOS存儲(chǔ)器。

(2)磁表面存儲(chǔ)器用磁性材料做成的存儲(chǔ)器稱為磁表面存儲(chǔ)器，簡稱磁存儲(chǔ)器。它包括磁盤存儲(chǔ)器、磁帶存儲(chǔ)器等。特點(diǎn):體積大、生產(chǎn)自動(dòng)化程度低、存取速度慢，但存儲(chǔ)容量比半導(dǎo)體存儲(chǔ)器大得多且不易丟失。

(3)激光存儲(chǔ)器信息以刻痕的形式保存在盤面上，用激光束照射盤面，靠盤面的不同反射率來讀出信息。光盤可分為只讀型光盤(CD-ROM)、只寫一次型光盤(WORM)和磁光盤(MOD)三種.

2.按存取方式分類

(1)隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM):如果存儲(chǔ)器中任何存儲(chǔ)單元的內(nèi)容都能被隨機(jī)存取，且存取時(shí)間與存儲(chǔ)單元的物理位置無關(guān)，則這種存儲(chǔ)器稱為隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)。RAM主要用來存放各種輸入/輸出的程序、數(shù)據(jù)、中間運(yùn)算結(jié)果以及存放與外界交換的信息和做堆棧用。隨機(jī)存儲(chǔ)器主要充當(dāng)高速緩沖存儲(chǔ)器和主存儲(chǔ)器。

(2)串行訪問存儲(chǔ)器(SAS):如果存儲(chǔ)器只能按某種順序來存取，也就是說，存取時(shí)間與存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān)，則這種存儲(chǔ)器稱為串行訪問存儲(chǔ)器。串行存儲(chǔ)器又可分為順序存取存儲(chǔ)器(SAM)和直接存取存儲(chǔ)器(DAM)。順序存取存儲(chǔ)器是完全的串行訪問存儲(chǔ)器，如磁帶，信息以順序的方式從存儲(chǔ)介質(zhì)的始端開始寫入(或讀出);直接存取存儲(chǔ)器是部分串行訪問存儲(chǔ)器，如磁盤存儲(chǔ)器，它介于順序存取和隨機(jī)存取之間。

(3)只讀存儲(chǔ)器(ROM):只讀存儲(chǔ)器是一種對其內(nèi)容只能讀不能寫入的存儲(chǔ)器，即預(yù)先一次寫入的存儲(chǔ)器。通常用來存放固定不變的信息。如經(jīng)常用作微程序控制存儲(chǔ)器。目前已有可重寫的只讀存儲(chǔ)器。常見的有掩模ROM(MROM)，可擦除可編程ROM(EPROM)，電可擦除可編程ROM(EEPROM).ROM的電路比RAM的簡單、集成度高，成本低，且是一種非易失性存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)常把一些管理、監(jiān)控程序、成熟的用戶程序放在ROM中。

3.按信息的可保存性分類

非永久記憶的存儲(chǔ)器:斷電后信息就消失的存儲(chǔ)器，如半導(dǎo)體讀/寫存儲(chǔ)器RAM。

永久性記憶的存儲(chǔ)器:斷電后仍能保持信息的存儲(chǔ)器，如磁性材料做成的存儲(chǔ)器以及半導(dǎo)體ROM.

4.按在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的作用分類

主存儲(chǔ)器 輔助存儲(chǔ)器緩沖存儲(chǔ)器 控制存儲(chǔ)器