Магнитооптические накопители информации
Магнитооптические накопители информации (МО) относятся к внешним ЗУ и предназначены для долговременного хранения относительно больших объемов информации (до нескольких гигабайт). МО относятся к ЗУ с прямым (произвольным) доступом к данным, хранящимся на магнитооптическом диске. Магнитооптические накопители информации подразделяются на внутренние, устанавливаемые в системный блок компьютера, и внешние (переносные) по отношению к системному блоку. Преимущество внешних накопителей состоит в том, что нагревание дисковода накопителя во время работы не повышает температуру внутри корпуса системного блока компьютера. Подключаются накопители информации на магнитооптических дисках к системной шине компьютера через соответствующий интерфейс.
В разработке первых МО принимало участие несколько компаний, однако первые промышленные образцы магнитооптических дисков, которые появились на рынке в середине 1980-х гг., создала фирма Sony. В настоящее время производителями магнитооптических накопителей и их компонентов являются фирмы Pinnacle Micro Inc., Sony, Verbatim, Philips, Hewlett Packard, Mitsubishi, Fujitsu и т. д. В ПК МО не нашли широкого распространения, поскольку пока уступают по ряду характеристик другим накопителям информации. Однако исследования, проводимые такими компаниями, как Sony и IBM, показывают, что в будущем на смену НЖМД и НГМД могут прийти МО. Основное применение МО находят в качестве вторичных накопителей информации, используемых для резервного хранения информации. Это связано с тем, что надежность хранения информации на носителях (дисках), применяемых в МО, высокая, поскольку данные, записанные на такие диски, не боятся сильных внешних магнитных полей и перепадов температуры (функциональные свойства дисков сохраняются в диапазоне температур от -20 до +50 °C, а перемагничивание, т. е. удаление информации, возможно только при температуре свыше 150 °C).
Конструктивно МО состоит из дисковода и магнитооптического носителя информации (магнитооптического диска). Поверхность магнитооптического диска покрыта пленкой специального магнитного материала (магнитооптический слой создается на основе порошка из сплава кобальта, железа и тербия и обладает ярко выраженными ферромагнитными свойствами). Данный материал не может изменить ориентацию намагниченности при обычной температуре приложенным к нему переменным магнитным полем. В магнитооптическом диске при записи и считывании информации этот магнитный слой реагирует как на магнитное, так и на температурное воздействие.
В дисководах МО при записи и считывании информации используется магнитооптический способ, который предполагает использование в дисководе накопителя оптического генератора (лазера) и магнитных головок. При записи лазерный луч нагревает часть поверхности пленки вращающегося диска, куда должна производиться двоичная запись, до определенной температуры, которая в физике называется «точкой Кюри» (Curipoint). В этой температурной точке (у большинства применяемых материалов она составляет около 200 °C) резко падает магнитная проницаемость материала, и изменение магнитного состояния его частиц может быть произведено относительно небольшим по мощности магнитным полем.
Для реализации процесса записи в МО применяться два основных метода записи: запись в два этапа (прохода) и запись в один этап (проход). При использовании первого метода на первом этапе выполняется стирание информации с диска, на втором – непосредственно запись. Стирание информации с диска происходит под воздействием луча лазера, нагревающего дорожку диска до заданной температуры, и магнитного поля, создаваемого магнитной головкой. Магнитное поле намагничивает поверхность магнитного слоя (пленки) дорожки, ориентируя магнитные моменты (домены) частиц магнитного слоя в одном направлении, что соответствует записи на дорожку одних логических нулей. На втором этапе (проходе) направление магнитного поля магнитной головки изменяется на противоположное. При этом лазер включается только в те моменты, когда необходимо изменить магнитную ориентацию частиц на дорожке только в определенных местах (запись логических единиц), нагревая поверхность дорожки до температуры точки Кюри. После охлаждения поверхности пленки те участки дорожки, которые подверглись нагреву лазерного луча, сохраняют магнитную ориентацию частиц в момент нагрева. Таким образом, дорожка диска после записи представляет собой последовательность участков, имеющих различную магнитную ориентацию частиц, соответствующую записанной информации (последовательности нулей и единиц). Существенным недостатком этого метода и соответственно недостатком дисководов, в которых используется данный метод, является невысокая скорость записи.
Второй метод записи широко применяется в современных МО. Этот метод носит название LIMDOW (Light Intensity Modulation Direct Overwrite) и позволяет осуществить запись за один проход. Сущность метода состоит в том, что при записи используется как внешнее магнитное поле, создаваемое магнитной головкой дисковода, так и внутреннее магнитное поле, создаваемое дополнительными магнитными слоями носителя. Поэтому при записи направление внешнего магнитного поля не нужно переключать и происходит либо намагничивание участков магнитной пленки от внешнего поля (запись единиц), либо стирание информации благодаря влиянию дополнительных магнитных слоев (запись нулей). Скорость записи данных на диск при использовании второго метода повышается приблизительно в два раза.
Поскольку процесс записи не приводит к необратимым физическим изменениям на диске (как в случае с оптическими дисками), он может быть многократно повторен (до нескольких миллионов раз), т. е. такие диски принципиально являются перезаписываемыми. Однако существуют магнитооптические диски с однократной записью СС WORM (Continuous Composite Write Once Read Many) и частичной записью P-ROM (Partial read only memory). Диски с однократной записью аналогичны перезаписываемым дискам, но в момент записи на диск наносятся специальные метки, которые запрещают повторную запись. Диски с частичной записью условно делятся на две части: одна из них содержит постоянные данные, которые невозможно изменить, другая часть содержит данные, которые можно изменить, т. е. перезаписать.
Плотность записи и соответственно информационный объем у магнитооптических дисков намного больше, чем у дискет, используемых в НГМД. Это связано с тем, что намагниченный участок дорожки магнитооптического диска имеет меньшие размеры (десятые доли и единицы микрон) по сравнению с размерами намагниченного участка дорожки дискеты (десятые доли миллиметра). Размер намагниченного участка магнитооптического диска в свою очередь зависит от точечного пятна луча лазера, которое и определяет место записи данных на диске.
Считывание данных с магнитооптического носителя происходит при помощи луча лазера, но уже меньшей мощности (около 25 % от мощности записываемого луча), чтобы не привести к нагреву считываемого участка диска и не стереть записанные данные. При считывании используется эффект Керра, заключающийся в изменении плоскости поляризации отраженного луча в зависимости от направления магнитного поля намагниченного участка дорожки диска. В зависимости от магнитной ориентации намагниченного участка дорожки изменяется поляризация (направление векторов электрической и магнитной составляющей электромагнитного излучения) отраженного лазерного луча. Падающий луч лазера линейно поляризован, при отражении от намагниченного участка поверхности диска он приобретает круговую поляризацию. Отраженный лазерный луч попадает на светочувствительный элемент приемника дисковода, который определяет направление поляризации. В зависимости от направления поляризации приемник на выходе формирует значение нуля или единицы.
Дисководы МО состоят из большого числа механических, оптических и электронных компонентов. В качестве этих компонентов частично используются компоненты от НГМД и накопителей на оптических дисках.
Все эти компоненты дисковода размещаются в едином корпусе, который вставляется в соответствующий отсек системного блока компьютера. Внешние дисководы магнитооптических дисков выполнены в виде функционально законченного отдельного устройства.
Система загрузки носителей в МО внешне мало чем отличается от загрузки дискет в НГМД, однако имеет электронную систему выброса носителя. Для загрузки носителя в МО его необходимо вставить в соответствующую прорезь дисковода, как обычную дискету.
В дисководах МО в качестве основного способа вращения носителя вокруг своей оси и соответственно считывания и записи информации используется способ вращения с постоянной угловой скоростью, который носит название CAV (Constant Angular Velocity – постоянная угловая скорость). Угловая скорость вращения носителя в зависимости от модели дисковода (модель определяется геометрическими размерами носителя и компанией – производителем МО) находится в пределах от 2700 до 4500 об./мин.
Скорость считывания и записи магнитооптических дисков в дисководах зависит от угловой скорости вращения носителя. Средняя скорость считывания данных равна 3,8 Мбайт/с. Средняя скорость записи из-за инертности тепловых процессов меньше и составляет 1,3 Мбайт/с. Эти скорости не являются предельными, поскольку продолжается разработка новых и совершенствование старых моделей дисководов. Кроме того, необходимо заметить, что современные дисководы МО имеют встроенную кэш-память порядка 2 Мбайт, что позволяет увеличить производительность дисковода. Среднее время загрузки и выгрузки диска из дисковода составляет соответственно 7 и 5 с.
Конкретные технические характеристики дисководов определяются моделью дисковода и приводятся в соответствующей технической документации. Примером конкретных магнитооптических накопителей могут служить накопители фирмы Fujitsu – это накопители MCE3064SS, MCD1330AP MCD1330SS, MCJ3230SS и т. д. Ниже приведены основные характеристики накопителя MCD3130SS:
• объем кэш-памяти – 2 Мб;
• время доступа – 28 мс;
• скорость записи – 1,5 Мбайт/с;
• скорость чтения – 4,5 Мбайт/с.
Обмен информацией между МО и МП компьютера осуществляется через контроллер накопителя, который входит в состав электронного блока накопителя. В качестве интерфейса в МО в настоящее время широко используются интерфейсы IDE/ATAPI (Integrated Disk Electronic/Attachment Packet Interface) и SCSI (Small Computer System Interface).
В качестве носителей информации в МО используются магнитооптические диски. Магнитооптический диск состоит из нескольких слоев различных материалов. Основными из них являются магнитооптический слой, состоящий из материала с вышеописанными свойствами, и отражающий слой, который повышает отражательную способность диска. На рис. 6.65 приведено сечение одностороннего магнитооптического диска.
Рис. 6.65. Сечение одностороннего магнитооптического диска
Структура магнитооптического диска является многослойной. Слои размещаются на основании (подложке). В качестве материала подложки используется прозрачный поликарбонат. Подложка является основой диска и сверху покрывается прозрачным защитным слоем, оберегающим диск от механических повреждений. Толщина подложки составляет 1,2 мм. Магнитный слой создается на основе порошка из сплава кобальта, железа и тербия. С двух сторон он окружен диэлектрическими слоями, которые выполняются из прозрачного полимера и защищают диск от перегрева, а также увеличивают эффект поляризации при считывании. Далее следуют отражающий слой (создается путем нанесения материала из алюминия или золота) и защитный слой.
В накопителях, использующих диски со структурой, показанной на рис. 6.64, луч лазера падает на магнитный слой со стороны подложки, а магнитная головка находится с противоположной стороны.
Луч лазера на поверхности диска создает пятно размером около 1 мм. Частицы пыли и микроскопические царапины не оказывают при этом существенного влияния на процессы записи и считывания. На магнитном слое за счет фокусировки пятно уменьшается уже до микронных размеров, что и определяет размеры намагниченных участков.
Диск помещается в пластиковую упаковку, на которой с двух сторон сделаны радиальные прорези, через которые магнитооптическая система дисковода получают доступ к диску. Магнитооптический диск внешне очень похож на дискету, но имеет большую толщину. При установке диска в дисковод он автоматически в нем фиксируется, после чего диск раскручивается до заданной частоты вращения. Для удаления диска из дисковода используется специальная кнопка на дисководе, при нажатии на которую диск выдвигается из дисковода. На диске, также как и на обычной дискете, имеется специальный переключатель, разрешающий или запрещающий запись. Кроме того, на диск наносится маркировка, состоящая из названия фирмы-изготовителя, информационного объема диска и т. д.
Существует несколько форматов магнитооптических дисков, например на 3,5 и 5,25 дюймов. Однако в настоящее время в ПК в основном используются формат диска с геометрическим размером 3,5 дюйма. Геометрические размеры магнитооптических дисков называют также форм-фактором. В зависимости от форм-фактора диска выпускаются и соответствующие ему дисководы.
Магнитооптические диски бывают одно– и двухсторонние, причем двухсторонние представляют собой два односторонних диска, склеенных между собой подложками. Соответственно и общая емкость такого диска равна сумме емкостей двух поверхностей.
Магнитооптические диски формата 3.5" производят несколько фирм – Fujitsu Verbatim, Philips, Sony, Mitsubishi и т. д. Объем информации, который может быть записан на магнитооптический диск, составляет от 128 Мбайт до 1,3 Гбайт. Время доступа для магнитооптических дисков находится в пределах от 17 до 35 мс. Среднее количество циклов считывания и записи составляет 10 млн.
Запись информации на магнитооптический диск и считывание информации с него должны производиться на предварительно отформатированный диск, т. е. на диске должна быть создана физическая и логическая структура. В МО формирование физической и логической структуры диска реализуется в процессе записи на него данных. Эти структуры аналогичны структурам, которые создаются на магнитных дисках, т. е. запись данных производится на концентрические дорожки, которые в свою очередь разбиваются на сектора (информационный объем сектора 512 байт) и формируются с помощью установленной на компьютере файловой системы.
Формат записи на МО соответствует стандарту ISO и не зависит от применяемой операционной системы. МО работают под различными ОС, включая и Windows ХР.
Процедуры записи, считывания и удаления информации в МО реализуются с помощью стандартных программных средств ОС Windows ХР и не требуют использования специальных программ, как в случае с оптическими дисками.
