Кодирование частотной модуляции

Эта статья о системе, использовавшейся в ранних магнитных дисках. О технологии радиовещания см. Частотная модуляция .

Atari 810 был типичным FM-дисководом эпохи домашних компьютеров начала 1980-х годов .

Кодирование с частотной модуляцией , или просто FM , представляет собой метод хранения данных, который широко использовался в ранних дисководах для гибких и жестких дисков . Данные модифицируются с использованием дифференциального манчестерского кодирования при записи, чтобы обеспечить восстановление тактовой частоты для устранения временных эффектов, известных как «дрожание», наблюдаемых на дисковых носителях. Он был представлен на IBM приводах мэйнфреймов и был почти универсален среди ранних дискет мини- и микрокомпьютеров . В случае дискет FM-кодирование позволяло хранить на диске около 80 КБ данных. Диск размером 5 + 1 / 4 дюйма.

IBM начала внедрять более эффективную модифицированную частотную модуляцию , или MFM, начиная с 1970 года. Они называли этот формат «двойной плотностью», а исходный FM задним числом стал «одинарной плотностью». MFM было сложнее реализовать, и только в начале 1980-х годов появились недорогие универсальные контроллеры гибких дисков MFM, такие как WD1770 . Это привело к быстрому упадку FM-кодирования в пользу MFM к середине 1980-х годов.

Базовый механизм хранения

Системы основной памяти в современных компьютерах хранят двоичную информацию, используя два разных электрических сигнала, обычно напряжения. Например, в DRAM наличие напряжения выше определенного порога представляет собой двоичную единицу, а любое напряжение ниже этого значения представляет собой ноль. Буква «A» в ASCII представлена ​​как 01000001 в двоичном формате, который может храниться в типичном DRAM конца 1970-х годов, таком как Mostek MK4116, в виде серии напряжений 0 и 5 В в отдельных конденсаторах, составляющих память.

Напротив, магнитной записи, системы такие как дискеты, записывают эти данные как изменение магнитной полярности . Это связано со способом чтения и записи данных с использованием магнитной индукции . Во время чтения диск вращается, поэтому его поверхность быстро проходит мимо головки чтения/записи — небольшого электромагнита . Когда полярность магнитного заряда на диске меняется, в голове индуцируется короткий электрический импульс, который читается как единица, любой участок, где полярность не меняется, дает ноль. Чтобы закодировать ту же букву А, предполагая, что предыдущие данные заканчиваются нулем, диск должен использовать 01111110. Первый переход от нуля к единице приводит к выводу 1, поток следующих единиц не вызывает вывода, и, наконец, последний переход один к нулю создает конечную 1.

Помимо того, что данные хранятся в шаблонах, которые требуют оперативного преобразования во внутренний формат и обратно, диск сталкивается с дополнительными проблемами, связанными с тем, что он является аналоговой системой, — шум, механические эффекты и другие проблемы. В частности, диски страдают от эффекта, известного как джиттер , из-за небольших изменений во времени, когда носитель ускоряется и замедляется во время вращения. Одна из форм неизбежного джиттера связана с гистерезисом магнитной среды, который может привести к эффекту, известному как сдвиг битов, который приводит к растягиванию струн магнитного перехода во времени. Эти эффекты затрудняют определение того, к какому биту принадлежит конкретный переход.

Чтобы решить эту проблему, диски используют некоторую форму восстановления тактовой частоты с использованием дополнительных сигналов, записываемых на диск. Когда данные считываются, тактовый сигнал отделяется, и биты данных затем могут быть четко видны в сигнале и четко выстроены в соответствующие слоты памяти.

Кодирование

FM-кодирование использует простую систему для кодирования исходных данных таким образом, чтобы каждый бит данных содержал хотя бы один переход, гарантируя, что в течение заданного периода будет достаточно переходов для успешного восстановления тактовой частоты. Для этого он работает с базовым периодом данных, вдвое превышающим максимальную частоту носителя записи. Они известны как «окна часов», в каждом окне может быть до одного тактового перехода и одного перехода данных. Поскольку для каждого бита данных требуется минимум два времени, FM-кодирование сохраняет примерно половину того объема, который теоретически возможен на этом носителе.

FM использует реализацию дифференциального манчестерского кодирования . Ноль в исходных данных кодируется одним переходом магнитного потока за период, а единицы кодируются двумя переходами. Например, если байт данных исходной системы содержит биты 01000001 , контроллер гибкого диска преобразует это в ряд 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 , вставляя дополнительные сигналы перед каждый бит для представления часов. Когда этот сигнал затем отправляется на головку чтения/записи, полярность будет меняться каждый раз при появлении импульса. В этом примере, если головка изначально находилась в низком состоянии в конце записи последних данных, ведущая 1 переведет ее в высокое состояние, а следующий ноль оставит ее там. Результатом является единственный переход в этом окне. Следующий бит сначала вернет состояние обратно в низкое состояние, а затем снова в высокое, для двух переходов в окне.

Кодирование этих переходов требует, чтобы система принимала цифровые данные от главного компьютера, а затем перекодировала их в базовый формат FM. При чтении системе приходится снова отделять тактовый сигнал и оставлять только биты данных. Поскольку FM-система настолько проста, ее можно реализовать в однокристальной форме с использованием технологий производства полупроводников конца 1970-х годов . Это значительно снизило стоимость реализации полного контроллера привода, который состоял в основном из часов, микросхемы контроллера привода, микросхемы для связи с главным компьютером и некоторой буферной памяти. Особой популярностью пользовались Western Digital FD1771 и его вариации.

Кодирование данных против формата

В приведенном выше материале речь идет о записи байтов на диск, но это упрощение. В большинстве дисков единственной единицей данных является сектор , и отдельные байты внутри него не имеют значения для контроллера. Когда данные записываются, контроллеру передаются данные полного сектора и приказано записать их как одну атомарную операцию в виде последовательности битов. Контроллер не может выравнивать биты с байтами, основываясь исключительно на информации FM. Таким образом, при чтении должны быть выровнены не только биты данных, но и начальная точка данных сектора в целом.

Это достигается не схемой кодирования, а форматом диска . Когда контроллер записывает сектор данных, он добавляет раздел заголовка, содержащий информацию о последующих данных, а также адрес сектора, чтобы его можно было найти в будущем. Во время процесса записи контроллер также записывает серию специальных «синхронизирующих байтов» перед заголовком и данными. В формате IBM он состоит из тринадцати нулей, за которыми следуют три шестнадцатеричных числа. A1перед областями заголовка и данных. Они не закодированы в FM, поэтому контроллер может легко идентифицировать их на лету. Контроллер фиксирует эти сигналы, чтобы найти начало данных, которое следует сразу за последним байтом синхронизации. После этого он считывает каждые восемь битов в последующие байты буфера.

Замена на МФМ

Основная статья: модифицированная частотная модуляция

Поскольку каждый бит данных требует двух переходных периодов в системе FM, он использует только половину потенциальной емкости диска. Это привело к созданию ряда более совершенных кодировок, которые лучше используют доступное пространство. Наиболее широко используемой заменой стала модифицированная частотная модуляция , или МЧМ. Эта система записывала только один бит в каждом окне, что создавало основной тактовый сигнал. Значение бита, 1 или 0, кодировалось расположением импульса внутри окна. 1 были закодированы импульсами в центре окна; 0 с импульсом в конце.

MFM требует более сложного решения для восстановления тактового сигнала. Обычно это принимает форму контура фазовой автоподстройки частоты или аналогичной системы, которая будет генерировать устойчивый выходной тактовый сигнал из зашумленного входа. Это было за пределами возможностей недорогих микросхем конца 1970-х годов, поэтому FM оставался популярным в эпоху ранних домашних компьютеров в начале 1980-х годов. Микросхемы MFM были доступны и использовались на более дорогих платформах, таких как IBM PC , но их использование требовало выполнения восстановления тактовой частоты с помощью внешнего оборудования, «разделителя данных». В этот период производство микросхем быстро развивалось, и к середине 1980-х годов появились многофункциональные контроллеры MFM, и рынок быстро перешел к формату двойной плотности.

Ссылки

Библиография

• Лутц, Боб; Меллони, Паоло; Уэйкман, Ларри (1995). TL/F/9419 Руководство по проектированию разделителя данных на дискете для DP8473 (PDF) (технический отчет). Национальный полупроводник.
• Шухамер Имминк, Кес (декабрь 1990 г.). «Последовательности с ограниченной длиной» . Труды IEEE . 78 (11): 1745–1759. дои : 10.1109/5.63306 .