磁性存储数据技术

2.1.1　磁性存储数据技术

所有的磁性存储驱动器如软盘驱动器和硬盘驱动器，都是利用电磁理论读/写数据的。当电流通过导体（或电线）时，导体周围就会产生磁场，根据电流的流向，利用安培定则中的右手定律判断磁场的方向，如图2-1所示，从上向下看，图中左边电流方向向下，因此产生的磁场是顺时针方向，右边的电流方向向上，产生磁场的方向是逆时针方向。

图2-1　电流通过导线时，导体周围会生成磁场

电磁原理是由丹麦物理学家Hans Christian Oersted在1819年发现的，当时他发现将指南针靠近有电流通过的导线时，指针就会发生偏转。当切断电流时，指针在地球磁场的作用下重新调整，再次指向北方。

由于导体通电后产生的磁场会对存放在磁场中的磁性材料施加力作用，所以当电流的方向或极性变反时，磁场的极性也会变反。

上述电磁理论过程反过来就是电磁理论的另一种应用，当导体通过一个移动磁场时，就会产生电流。当改变磁场的极性时，产生电流的方向也会改变，如图2-2所示，利用左手定律判断电流的方向，当导体在磁铁中向下移动时，就会产生“负电压”，相反方向移动导体时就会产生“正电压”。

图2-2　导线穿过磁场时，会产生感应电流

交流发电机就是利用电磁理论来工作的，它通过旋转缠有导线圈的磁铁来运作，从而在导体内产生大量电流。将电磁原理应用于磁性存储驱动器时，电磁学原理的电磁转换可以在磁盘上记录数据，也可以重新将数据读出。记录数据时，磁头将电脉冲转换为磁场，读取数据时，磁头将磁场转换为电脉冲。

磁性存储驱动器的读/写头是一块U形导电材料，其U形末端直接位于实际的数据存储媒介的表面上（或紧挨可磁化材料的表面）。U形磁头外环绕着可通电流的线圈，如图2-3所示。当驱动器逻辑电路给线圈通电流时，驱动器磁头中就会产生磁场。逆转电流的方向也会改变磁场的极性。总之，磁头采用电磁体，其电压的极性可随之快速变相。

图2-3　磁性读/写磁头

磁盘或磁带实际存储介质采用多种材料的衬底材料，如软磁盘使用聚脂薄膜、铝，硬磁盘用玻璃等材料。衬底表面上沉积着一层可磁化的材料，这些材料通常由铁氧化物添加其他成分构成。存储介质上的每个单独磁性颗粒都有其自己的磁场，当介质（Medium）是空白的时候，这些磁场的极性通常处于散乱的状态。由于单个颗粒的磁场方向是随机的，因此每个细小磁场的磁性都会被其他与之方向相反的磁场的磁性所抵消，多重影响的叠加使得介质表面几乎没有磁场极性。对于许多随机定向的磁场，也无法产生统一的磁场或极性。

当驱动器的读/写头产生磁场时，磁场会跨越U形磁头的两个端头。由于磁场通过导体比通过空气容易得多，因而来自磁头间隙的磁场向外弯曲，并将邻近的存储介质作为最小电阻的路径通向间隙的另一边。当位于间隙下方的磁场通过介质时，会极化其通过的磁性颗粒，使它们的磁场方向一致。因此，磁场的极性或方向以及磁性介质上磁场的极性或方向都依赖于通过线圈的电流的方向。电流方向的改变会产生磁场方向的变化。

磁场通过介质时，磁头间隙下方区域的颗粒的磁场方向会因磁场的作用力而调整为和磁头磁场方向相同。当每个颗粒的磁场的方向都相同时，它们就不会互相抵消，而是在这一介质区域产生一个可见的磁场。由许多磁性颗粒一起组成的局部区域内就形成了一个方向统一、可检测到的累加磁场。

磁通描述的是具有特定方向或极性的磁场。当磁介质表面在磁头下移动时，磁头会在介质的特定区域上产生特定极性的磁通。当通过磁头上线圈的电流方向改变时，磁头间隙上的磁场或磁通也会相应翻转。磁头上磁通翻转会导致磁盘介质上被磁化颗粒的极性翻转。

磁通翻转会引起存储介质表面上磁性颗粒一致的极性发生变化。驱动器磁头通过介质上的磁通翻转来记录数据。驱动器写的每个数据位（或比特）都会在介质的特定区域上产生由正及负和由负及正的磁通翻转模式，通称为比特或转换单元。一个比特或转换单元是介质上的一块特定区域，由介质移动的速度和时间控制一个比特或转换单元大小，驱动器磁头控制在该区域产生磁通翻转。用来存储一个特定数据位（或比特）的转换单元内部的磁通翻转的特殊模式称为编码方法。驱动器逻辑电路或控制电路按照其使用的编码方法，在一段时间内将数据编码并存储为一系列的磁通翻转。

在写过程中，电压施加于磁头上。当电压的极性改变时，记录磁场的极性也会改变。磁通转换被精确地写在记录电压极性转变的位置。在读过程中，磁头无法产生与写入信息完全相同的信息，而是仅当经过磁通转换时，磁头产生电压脉冲或尖锋信号。当转换从正变为负时，磁头检测到的是脉冲负电压。当转换由负变正时，脉冲是正电压尖锋信号。发生这种情况是因为仅当导体以一定角度穿过磁力线时，导体内才产生电流。由于磁头是平行地移入介质上生成的磁场，因此磁头产生电压的唯一时机是读数据时磁头穿过磁极或磁通转换（磁通翻转）的时候。

总之从介质进行读的时候，磁头就变成了磁通转换检测器，在穿过磁通转换时发出电压脉冲。没有磁通转换就不会产生脉冲，如图2-4所示为读/写波形的关系以及记录在存储介质上的磁通转换。

写模式可视为由正、负电压构成的方波。当电压为正时，磁头产生磁场，将磁性介质极化为同一方向。当电压为负时，包括介质上的磁场也改变方向。当波形电压实际由正转负或由负转正时，磁盘上的磁通也相应改变极性。读数据时，磁头感应这些磁通转换并生成产生脉冲的正或负波形，而不是原始记录所使用的连续正波或负波。换句话说，除非磁头检测到磁通转换才会产生正脉冲或负脉冲，否则读到的脉冲为零状。脉冲仅当磁头通过介质上的磁通转换时才产生。控制器电路利用驱动器使用的时钟计时器可以确定在给定的转换单元时间周期内脉冲是否衰减。

读模式下，磁头穿过存储介质所生成的电脉冲非常微弱且可能含有有效的噪声。驱动器和控制电路部件中的敏感电子设备会放大噪声电平之上的信号，使解码得出的微弱脉冲电流序列还原为与初始记录的信号等同的二进制数据。

图2-4　磁性读/写过程

硬盘驱动器和其他存储驱动器都利用电磁理论读/写数据。驱动器利用使电磁铁（驱动器磁头）通电流而产生磁场来完成在介质上写数据的过程，利用磁头返回介质表面来读取数据。当磁头遇到存储的磁场变化时，会产生微弱的电流，指示出与初始写入信号相对应的磁通量的有无。