Накопители на гибких магнитных дисках: что это такое и способ производства

В настоящий момент, технологии хранения и чтения/записи информации на обычную дискету дают невысокие скорости обмена и позволяют добиться плотности записи для объема информации до 2 мегабайт. Такой объеми быстродействие считаются малыми и поэтому дискеты используют лишь как средство транспортировки и архивного хранения небольших объемов информации. Надежность дискет, также, оставляет желать лучшего. Они подвержены вредным воздействиям температурных, гидрометрических, магнитных, механических и др. факторов. Поэтому, с дискетами следует обращаться аккуратно.

Во избежание потери данных или повреждения носителя недопустимо: хранение дискет в местах подверженных воздействию магнитных полей, влаги, сильных механических воздействий, обильного количества пыли, резких температурных перепадов. Необходимо осторожно вставлять и извлекать дискету из дисковода только после того, как индикатор обращения к диску погаснет. В зависимости от интенсивности использования дискеты, ее необходимо проверять на предмет целостности и правильности логической и физической структуры при помощи специального программного обеспечения с различной частотой, но не реже одного раза в два месяца. Также, необходимо производить чистку головок чтения/записи дисковода при помощи специальной чистящей дискеты и очистителя. Срок службы носителя зависит не только от способа его эксплуатации, но и от его исходного качества. Дискеты высокого качества известных крупных производителей способны форматироваться на максимальные объемы и выдерживают при эксплуатации до 70 млн. проходов головки чтения/записи по дорожке, что, практически, означает срок интенсивной эксплуатации до 20 лет. Дискеты безымянных производителей и просто плохого качества, как правило, подвержены таким вредным процессам как высыпанию частичек магнитного покрытия и размагничиваемости. Не следует экономить на носителях информации, если она вам дорога. На практике, нужно стараться использовать только высококачественные дискеты известных производителей.

Появление различных методов кодирования данных связано, прежде всего, с техническими особенностями устройств хранения и передачи информации и желанием наиболее полно использовать пространство носителей информации. В настоящее время используется несколько различных методов кодирования данных:

Частотная модуляция (FrequencyModulation – FM) – метод, используемый в накопителях на сменных магнитных дисках старых модификаций (40 дорожек). Иначе, кодирование методом FM можно назвать кодированием с единичной плотностью. Метод предполагает запись на носитель в начале каждого битового элемента данных бита синхронизации. Битовый элемент определяется как минимальный интервал времени между битами данных, получаемый при постоянной скорости вращения диска (300 об/мин). Метод гарантирует, по меньшей мере, одну перемену направления потока за единицу времени вращения (в данном случае каждые 8 мкс). Такой временной интервал соответствует максимальной продольной плотности магнитного потока 2330 перемен на 1 см и скорости передачи данных – 125 Кбит/сек. Простота кодирования и декодирования по методу FM определяется постоянной частотой следования синхроимпульсов. Однако, наличие этих бит синхронизации и является одним из недостатков данного метода, т.к. результирующий кодмалоэффективен с точки зрения компактности данных (половина пространства носителя занимается битами синхронизации).

Модифицированная частотная модуляция (ModifiedFrequencyModulation – MFM) – улучшенный метод FM. Модификация заключается в сокращении вдвое длительности битового элемента – до 4 мкс и использовании бит синхронизации не после каждого бита данных, а лишь в случаях, когда в предшествующем и текущем битовых элементах нет ни одного бита данных. Такой способ кодирования позволяет удвоить емкость носителя и скорость передачи данных, по сравнению с методом FM, т.к. в одном и том же битовом элементе никогда не размещаются бит синхронизации и данных, а на один битовый элемент приходится только одна перемена направления магнитного потока.

Запись с групповым кодированием (RunLimitedLength – RLL) – метод, полностью исключающий запись на диск каких-либо синхронизационных бит. Синхронизация достигается за счет использования бит данных. Однако, такой подход требует совершенно иной схемы кодирования, т.к. простое исключение бит синхронизации приведет к записи последовательностей из одних нулей или единиц в которых не будет ни одной перемены полярности магнитного потока. Метод RLL происходит от методов, используемых для кодирования данных при цифровой записи на магнитную ленту. При этом, каждый байт данных разделяется на два полубайта, которые кодируются специальным 5-ти разрядным кодом, суть которого – добиться хотя бы одной перемены направления магнитного потока для каждой пары его разрядов. Что означает, необходимость наличия в любой комбинации 5-ти разрядных кодов не более двух стоящих рядом нулевых бит. Из 32 комбинаций 5 бит такому условию отвечают 16. Они и используются для кодирования по методу RLL. При считывании происходит обратный процесс. При применении метода кодирования RLL скорость передачи возрастает с 250 до 380 Кбит/с, а число перемен полярности магнитного потока до 3330 перемен/см. При этом длительность битового элемента снижается до 2.6 мкс. Поскольку, максимальный интервал времени до перемены магнитного потока известен (два последовательно расположенных нулевых бита), биты данных могут служить битами синхронизации, что делает метод кодирования RLL самосинхронизирующимся и самотактируемым. Метод дает возможность записать на каждой дорожке до 7.6 Кбайт данных. Интересным является тот факт, что метод MFM является частным случаем метода RLL. Для обозначения типа используемого RLL метода применяется аббревиатура вида: RLL2,7, RLL1,7, RLL2,8, RLL1,8, где первая цифра – минимальная, а вторая – максимальная длина последовательности бит – нулей, содержащихся между соседними единицами. Аббревиатура метода MFM записывается как RLL1,3. Модифицированная запись с групповым кодированием (AdvancedRunLimitedLength – ARLL) – улучшенный метод RLL, в котором, наряду с логическим уплотнением данных, производится повышение частоты обмена между контроллером и накопителем.

Технология производства накопителей на гибких магнитных дисках

Запись и считывание информации осуществляются с помощью магнитных головок плавающего типа. Они крепятся на рычагах, которые перемещаются по радиусу дисков с помощью специального следящего привода.

В качестве материала для изготовления магнитных дисков обычно применяют алюминиевый сплав Д16МП (МП — магнитная память). Этот сплав немагнитный, мягкий, достаточно прочный, хорошо обрабатывается. Для уменьшения количества металлургических дефектов на поверхности диска сплав подвергают специальной очистке. например электрофлюсовому рафинированию с продувкой инертным газом.

Торцевые поверхности магнитных дисков покрывают магнитным слоем. Гальваническое магнитное покрытие имеет толщину до 1 мкм, а ферролаковое — до 5 мкм. Только торцевые поверхности крайних дисков не используются для хранения информации. На рабочей поверхности диска размещаются 80 дорожек, 20 секторов.

Записи и считывания информации осуществляются с помощью магнитных головок плавающего типа. Они крепятся на рычагах, которые перемещаются по радиусу диска с помощью специального следящего привода.

Плотность записи определяется величиной зазора между диском и магнитной головкой, а от стабильности зазора зависит качество записи (считывания). Для повышения плотности записи необходимо уменьшить зазор, однако при этом значительно повышаются требования к рабочей поверхности дисков. При малом зазоре и больших погрешностях в макрогеометрии поверхности имеют место значительные колебания амплитуды сигнала воспроизведения. Для надежной работы накопителя на гибких магнитных дисках необходимо обеспечить шероховатость поверхности не более Ra=0,22 мкм и минимальные макрогеометрические отклонения. Торцевое биение диска при вращении с чистотой 30 об/с не должно превышать 0,3 мм, а удельная неплоскостность 0,7 мкм на длине 10 мм.

Выполнение этих требований представляет значительные трудности.

Основными этапами технологического процесса изготовления магнитного диска являются получение заготовки, подготовка поверхности, терморихтование, токарная обработка, нанесения магнитного покрытия, уравновешивание, контроль.

Заготовку дисков получают из листового материала. Резку листов на карточки размером 100х100 мм осуществляют на ножницах с наклонными ножами и прижимом материала. Из карточек вырубкой на штампе или на токарном станке получают диски.

При вырубке зона металла, прилегающая к поверхности среза, упрочняется. Толщина деформированного слоя составляет примерно 0,3 толщины материала. Припуск на последующую токарную обработку должен превышать толщину деформированного слоя.

Размеры заготовки для магнитного диска имеют следующие значения: наружный диаметр составляет 85,5 мм, а внутренний — 24 мм.

Подготовка поверхности заключается в обезжиривании, промывке в горячей проточной воде (при t=60° С в течение 1 — 2 мин.) и сушке. Она осуществляется на специальных установках.

Диск, находящийся в камере станка получает вращение и подвергается действию обезжиривающего раствора, а также протирается вращающимися щетками. Раствор подается из бачка насосом и распыляется форсунками. Чистая вода для промывки поступает из крана. Обезжиривающий раствор из камеры попадает через клапан обратно в бачок для вторичного использования или сливается. Диски сушат горячим воздухом, циркуляция которого в камере осуществляется вентилятором.

Терморихтование заготовок необходимо для снятия внутренних напряжений и обеспечения требований по неплоскостности и осевому биению. Эту операцию наиболее целесообразно выполнять в электрических печах сопротивления, которые обеспечивают минимальные перепады температур по всему рабочему объему. Оптимальная температура рихтования для сплава Д16МП составляет 125-- 215 С, а выдержка при этой температуре 3 ч. Скорость подъема температуры составляет 40° С в час, а скорость охлаждения не более — 20° С в час.

В приспособлении для закрепления дисков при терморихтовании заготовки дисков помещают между алюминиевыми плитами. В каждом слое находится по 10 заготовок. Положение заготовки на плите определяется тремя штифтами, которые фиксируют заготовку по внутреннему диаметру. Они служат также для фиксации вложения следующей плиты. Основание и грузовая плита выполнены из чугуна. Грузовая плита обеспечивает требуемое давление, которое для верхней заготовки составляет 0,02-- 0,04 Мпа. Стойка имеет ушко, с помощью которого приспособление загружают в электрическую шахтную печь. Температура рабочего пространства и приспособления контролируется термопарами, установленными снаружи и внутри приспособления.

Контроль торцевых поверхностей дисков после терморихтования осуществляют с двух сторон бесконтактным (емкостным) методом. Заготовки дисков устанавливают на плоскость ступицы и закрепляют через кольцо прижимом с помощью гайки.

Осевое биение измеряют при равномерном вращении с частотой 0,2 об/c при фиксированном положении датчика на одной из концентрических окружностей. Непараллельность перемещения датчика по плоскости не должна превышать 0,001.

Токарную обработку дисков проводят на станках повышенной точности в вакуумном патроне.

Основными частями патрона являются планшайба и корпус со сменным кольцом. Через отверстия его полость соединена с канавками, находящимися на торцевой поверхности планшайбы. Разность атмосферного давления воздуха и давления внутри планшайбы прижимает заготовку диска к выступам, удерживая диск на планшайбе за счет сил трения. Для съема диска полость планшайбы соединяют с окружающей атмосферой. Величина разряжения составляет 0,05 — 0,07 Па. Обточка наружного и внутреннего диаметров, а также фасок осуществляется при частоте вращения шпинделя от 700 до 900 об/ мин и подаче до 0,1 мм/об.

Подготовка поверхности диска перед нанесением покрытия заключается в очистке ее моющим раствором при температуре 55 — 65° С. В качестве подслоя применяют медь, которую наносят гальваническим способом.

Магнитное покрытие, нанесенное по медному подслою, обеспечивает малый ток записи, высокую амплитуду считываемого сигнала и практически бездефектное покрытие. Толщина медного подслоя составляет примерно 5 мкм. Чистота поверхности после нанесения медного подслоя ухудшается, и для ее восстановлении применяется полирование, при котором толщина подслоя уменьшается на 0,5 мкм.

Подслой и магнитное покрытие наносят электролитическим способом в приспособлении, которое обеспечивает подвод тока и вращение диска в гальванической ванне. Вращение диска обеспечивает равномерность осаждения покрытия.

Приспособление состоит из текстолитовой плиты, на которой установлены двигатель и понижающие редукторы. На валу редуктора насажена оправка с диском. Ток к диску подается от провода и втулки к оправе. Диск погружают в ванну на половину диаметра. Для получения равномерного магнитного поля устанавливают латунный экран. Погружение диска в ванну, подъем и перенос его из одной ванны в другую осуществляется с помощью тяг.

Статическое уравновешивание дисков производится после покрытия медью. Диск, плотно надетый на оправку устанавливают на раму-весы, которая призмами опирается на стойку. Весы уравновешиваются с помощью грузов. Раму стопорят на стойке штифом, который после установки диска вынимают. При наличии неуравновешенности рама отклоняется от горизонтального положения , что фиксируется стрелкой на шкале. При этом все вышеперечисленные операции выполняются автоматически.

Окончательное полирование осуществляется на станке с вертикальным шпинделем. Обрабатываемый диск закрепляют в вакуумной планшайбе. При этом он прижимается к точной поверхности планшайбы. В качестве инструмента применяют полировальник, шарнирное крепление которого обеспечивает его самоустановку относительно поверхности диска.

Для предохранения магнитного носителя от механических и климатических воздействий на торцевые поверхности дисков могут наносить защитное покрытие. Раньше эту роль выполнял хром, сейчас используется тифлон. Последний позволяет сделать диск абсолютно не чувствительным ко всякого рода загрязнениям: жир, вода, пыль.

Произвольно выбранные диски подвергают испытаниям на сохраняемость записанной информации при длительной работе в режиме считывания. Контрольные измерения параметров воспроизводимых сигналов осуществляют с помощью осциллографа.

Климатические испытания проводят при повышенной (+50° С) и пониженной (— 50° С) температурах, а механические при вибрационных и ударных нагрузках.

После каждого испытания диски подвергают визуальному осмотру с проверкой параметров считываемой информации.

Взаимозаменяемость выбранных НГМД проверяют на нескольких накопителях, на которые последовательно устанавливают один и тот же диск. При этом информация, записанная на дискетах, должна без сбоев воспроизводится на всех накопителях.

Иногда после проведения всех вышеперечисленных операций по сборке и проверке дисков некоторые фирмы в качестве дополнительной услуги также форматируют накопители на гибких магнитных дисках, то есть разбивают их на дорожки и сектора, чтобы освободить от этой процедуры пользователя, однако последнее не обязательно, так как требования к форматированию у различных пользователей часто разнятся, поэтому солидные компании предпочитают предоставлять выбор способа форматирования покупателю, а не проводят его заранее.