Magnetické paměti pro trvalý záznam dat

Obsah

1. Magnetické paměti určené pro trvalý záznam dat
2. Použití magnetických pásek
3. Kompaktní kazety a osmibitové domácí počítače
4. Sinclair ZX Microdrive
5. Diskové paměti s magnetickou vrstvou
6. Literatura a odkazy na Internetu
7. Obsah následující části seriálu

1. Magnetické paměti určené pro trvalý záznam dat

Již v první generaci počítačů se pro trvalou úschovu informací, tj. jak zpracovávaných dat, tak později i vlastních programů, začaly používat paměti založené na principu magnetické hystereze. Magnetický materiál si díky ní „pamatuje“ intenzitu magnetického pole i poté, co na něj toto pole přestalo působit, protože se změní prostorová orientace magnetických dipólů materiálu. Zpočátku se v počítačích používaly především bubnové paměti sloužící jako operační paměť i vstupní či výstupní paměťové médium, posléze (konkrétně v roce 1957) se k bubnovým pamětem přidaly i magnetické pásky, které se s mnohými obměnami a vylepšeními používají v podstatě až do dnešní doby. Největší nevýhodu magnetických pásek – sekvenční a tím pádem i pomalý přístup k datům – se podařilo odstranit s nástupem paměťových médií s rotujícím diskem, na který je nanesený feromagnetický materiál, zejména disket (floppy disc) a pevných disků (hard disc). Ovšem existují i magnetické paměti bez pohyblivých částí; jedná se o takzvané bublinové paměti používané (kvůli své relativně vysoké ceně) především ve vojenských zařízeních.

Obrázek 1: Bublinová paměť bez pohyblivých součástí založená na posunu relativně izolovaných magnetických bu­blin

Takzvané bubnové paměti neboli drum memories, které v dávné minulosti nahrazovaly operační paměť a částečně i paměť pro trvalý záznam dat, i když jejich kapacita byla (i na tehdejší poměry) velmi nízká, jsme si již v tomto seriálu popsali. Bubnová paměť je sestrojena z válce vytvořeného z nemagnetického materiálu (například hliníku), na který je nanesena feromagnetická vrstva, podobně jako na magnetofonové pásce, disketě nebo plotně pevného disku. Válec se otáčí konstantní rychlostí a k jeho povrchu jsou přitlačovány čtecí a zápisové hlavy, opět podobné těm použitým v magnetofonech či disketových jednotkách. Tyto hlavy však nemění svou polohu, každá hlava tedy dokáže přečíst pouze jednu jedinou stopu po obvodu celého válce. Vzhledem k tomu, že je hlav vedle sebe umístěno více (typicky se jedná o šířku zpracovávaného slova, což však v tomto historickém kontextu neznamená nutně pouze šestnáct bitů, ale například 18 či dokonce 36 bitů), je čtení i zápis prováděn paralelně, což zjednodušuje implementaci řadiče.

Obrázek 2: Bubnová paměť po otevření krytu a odhalení paměťového bubnu i čtecích a zápisových hlav

2. Použití magnetických pásek

Zatímco bubnové paměti jsou dnes pouze historickým reliktem, který můžeme vidět maximálně v muzeu, mají magnetické pásky i v současnosti své použití, zejména pro zálohy obrovského množství dat. Samotná páska je většinou vyrobena z polyesterové fólie (nebo materiálu s podobnými vlastnostmi, mnohdy se jedná o patentované chemické složení), na kterou je z jedné či obou stran nanesena magnetická vrstva, vytvořená například z práškového oxidu železitého rozpuštěného v epoxidové pryskyřici. Samotná magnetická vrstva je velmi tenká; pohybuje se v řádu jednotek až desítek mikrometrů. Magnetická páska, jejíž délka může dosahovat několika stovek metrů, je navinuta na cívku umístěnou buď volně nebo uzavřenou v kazetě (spolu s druhou cívkou, na kterou se páska navíjí). Použité materiály ani technologie výroby nejsou drahé, proto měly především v minulosti magnetické pásky velmi příznivý cenový poměr přepočtený na jednotku informace (jeden bit).

Obrázek 3: Typická cívka s devítistopou magnetickou páskou, která byla ještě nedávno k vidění v mnoha výpočetních centrech

Páska se při čtení či zápisu dat pohybuje konstantní rychlostí pod čtecí a zápisovou hlavou (může se jednat i o kombinovanou čtecí/zápisovou hlavu), která je na pásku pod určitým tlakem přitisknuta. Zápis probíhá tak, že se podélně či příčně zmagnetizuje malá část pásky pomocí zápisové hlavy, která obsahuje cívku s jádrem přerušeným úzkou mezerou. Mezera se nachází přesně nad páskou, tj. magnetické pole se v tomto místě z jádra rozšiřuje i přes pásku, jejíž magnetické dipóly jsou tímto polem natáčeny žádoucím směrem a díky tomu, že oxid železitý je feromagnetická látka, je orientace dipólů zachována i po posunu dotčeného místa pásky mimo dosah zápisové hlavy (takový záznam může v ideálních podmínkách vydržet i několik desítek let, mnozí majitelé osmibitových počítačů i dnes dokáží načíst původní data stará více než dvacet let). Čtení zapsaných dat je založeno na tom, že pohybující se páska vybudí ve čtecí hlavě napěťový impuls, z jehož polarity je možné zjistit, zda na pásku byla zapsána bitová hodnota 0 či 1. Pásky určené pro profesionální počítače (mainframy apod.) měly typicky devět datových stop a tím pádem i čtecí/zápisové hlavy obsahovaly stejný počet vinutí a čtecích zesilovačů (osm stop bylo určeno pro záznam dat, devátá stopa například pro záznam paritního bitu).

Obrázek 4: Mechanika s magnetickou páskou, ve vertikálních prosklených „krabicích“ jsou umístěny podtlakové zásobníky pásky, které zabraňovaly nežádoucím trháním páskou při rychlém přetáčení, čtecí a zápisové hlavy jsou umístěné v šedém krytu vlevo

3. Kompaktní kazety a osmibitové domácí počítače

U osmibitových domácích počítačů se velké popularitě těšily běžné kompaktní kazety vytvořené původně pro záznam hudby. Přednosti těchto kazet spočívaly jak v příznivé ceně způsobené masovou výrobou a velkou konkurencí mezi jednotlivými výrobci (bohužel u nás neměl nechvalně známý Emgeton konkurenci prakticky žádnou, podle toho taky kvalita těchto kazet vypadala), tak i ve snadném zacházení s kazetami, dostupností součástek pro výrobu specializovaných magnetofonů pro „osmibiťáky“ (snížení ceny kompletu počítač+magnetofon) a relativně vysoké spolehlivosti čtení záznamu, zejména s přihlédnutím k nízké ceně celého paměťového systému (magnetofon + média). K některým osmibitovým počítačům byly dodávány specializované magnetofony s ukazatelem otáček (to byl velmi důležitý údaj pro lokalizaci dat), další osmibiťáky dokonce měly magnetofon zabudovaný a k jiným (ZX Spectrum) bylo možné i bez dalších úprav připojit prakticky jakýkoli magnetofon, který disponoval možností vstupu i výstupu audia.

Obrázek 5: Domácí osmibitový počítač Sharp se zabudovaným magnetofonem, existovala i dražší verze s disketovou jednotkou

Podle způsobu záznamu i délce pásky samotné kompaktní kazety (20, 30, 60, 90, … minut normální hrací doby) bylo možné na jednu její stranu uložit cca 500 kB až 1 MB dat, ovšem spolu s vyšší rychlostí záznamu (a tím i vyšší teoreticky dosažitelné kapacitě) rostly i nároky jak na frekvenční charakteristiky čtecích a zápisových zesilovačů, odolnosti proti rušení vnějšími vlivy, tak i na samotné kazety, především na schopnosti zaznamenat vysoké frekvence bez nežádoucího zkreslení a šumu (možná je trošku škoda, že se nestihlo využít všech technologií známých například z modemů, u kterých se také řešil problém šumu a omezeného frekvenčního rozsahu).

Obrázek 6: Nechvalně známý magnetofon pro osmibitové počítače Atari (bez dalších úprav typu Turbo 2000, vývodu pro aretaci hlavy či regulace otáček motorku)

Největší problém při používání kompaktních kazet však spočíval v tom, že při nahrávání či ukládání dat bylo nutné pásku přetočit na potřebné místo. Po krátkém zácviku sice bylo možné „čtyřhmatem“ (dva prsty na tlačítkách pro rychlé přetáčení, třetí prst trvale na tlačítku Stop, čtvrtý prst na tlačítku Play – Stop a Play plynule střídat, jako plyn a brzdu u automobilu) potřebné místo najít poměrně rychle, i tak se ale jednalo o nekomfortní řešení, především při porovnání s možnostmi disketových jednotek. Ovšem v našich krajích se po dlouhou dobu jednalo o cenově nejdostupnější řešení, zejména při použití dovozových kompaktních kazet.

Obrázek 7: Magnetofon pro osmibitové počítače Commodore byl konstrukčně podobný magnetofonu pro Atari, technologií záznamu byl však vyspělejší (na Atari se dosti zoufalá situace se standardní metodou záznamu řešila různými „Turbo“ úpravami, v našich krajích se nakonec prosadilo Turbo 2000 Jiřího Richera následované Super Turbem)

4. Sinclair ZX Microdrive

Zajímavý koncept při vývoji magnetických páskových pamětí použila slavná firma Sinclair Research při vývoji paměti označované názvem Sinclair ZX Microdrive určené pro neméně slavný počítač ZX Spectrum a některé jeho následovníky a klony (vhodnější je v tomto případě použít celý název magnetické paměti, protože samotným Microdrive se označují i miniaturní pevné disky od firmy IBM). V Sinclair ZX Microdrive se používala výměnná paměťová média obsahující magnetickou pásku o šířce 1,9 mm a délce cca šesti metrů. Celková délka pásky se však mohla do jisté míry měnit – viz další text. Páska byla navinuta na jediné cívce, přičemž její konce byly spojeny tak, aby vytvořily „nekonečný“ pás – magnetická páska se v tomto případě odvíjí ze svého posledního (nejmenšího) závitu a navíjí se naopak na první (největší) závit – podobný princip, i když mechanicky lépe provedený, je využitý i v některých filmových promítačkách.

Obrázek 8: Paměťové zařízení Sinclair ZX Microdrive

Tímto uspořádáním se do značné míry zjednodušila mechanika paměťového zařízení, která mohla obsahovat pouze jednoduchý mechanismus s elektrickým motorkem a převodem, který pásku převíjel konstantní rychlostí jedním směrem (odpadá složité převíjecí zařízení známé z magnetofonů, ve kterých bylo nutné zajistit jak obousměrné převíjení, tak i oddálení čtecí/zápisové hlavy při rychlém převíjení). Paměťové médium pro ZX Microdrive je zobrazeno na následujícím obrázku zhruba ve své skutečné velikosti. Páska se při čtení či zápisu posouvala konstantní rychlostí 76 cm za sekundu, což znamená, že přetočení celé smyčky trvalo cca 8 sekund. Celková kapacita činila cca 85 kB při plném využití (žádné vadné bloky), ovšem několikerým formátováním se mohla délka pásky poněkud prodloužit a tím se i zvýšila kapacita jednoho média až na 100 kB, samozřejmě na úkor spolehlivosti, která i tak nebyla příliš velká (v porovnání s kompaktními kazetami či disketami). Na rozdíl od kompaktních kazet však odpadly problémy s manuálním přetáčením a hledáním začátku záznamu.

Obrázek 9: Vnitřek média určeného pro paměťové zařízení Sinclair ZX Microdrive

V oblasti domácích osmibitových počítačů představoval Sinclair ZX Microdrive jakýsi přechod mezi magnetickými páskami a disketami – z magnetických pásek zde byla využita celková jednoduchost mechaniky s kombinovanou čtecí/zápisovou hlavou a jedním elektrickým motorkem, ale na rozdíl od magnetických pásek se při použití Microdrive nemuselo provádět ruční přetáčení pásky a hledání začátku záznamu – tato operace byla do značné míry zautomatizovaná (přesněji řečeno, řídil ji program, nikoli řadič), podobně jako u disketových mechanik.

Obrázek 10: Tento technologický zázrak, na jehož vzniku se prý podíleli i švýcarští hodináři, má s původním Sinclair ZX Microdrive kromě názvu společný pouze princip záznamu založený na hysterezi feromagnetických materiálů

Podobný princip založený na „nekonečné“ pásce, většinou ještě na jednom místě přetočené tak, aby tvořila Möbiův pruh s jednou stranou, byl použit i u některých dalších paměťových médií a mechanik, známých také pod označením stringy floppy. Z oblasti audiovizuální techniky jsou známá osmistopá média, taktéž s nekonečnou přetočenou páskou, která nevyžadovala ani otáčení média (jako tomu bylo u prvních disketových mechanik) ani dvojici čtecích/zápisových hlav – viz následující obrázek.

Obrázek 11: Osmistopá páska tvořící Möbiův pruh používaná v audiovizuální technice

5. Diskové paměti s magnetickou vrstvou

Diskové paměti patří v současnosti mezi nejrozšířenější typ pamětí určený pro trvalý záznam dat. U těchto typů pamětí jsou data zaznamenávána na magnetickou vrstvu, která je nanesena buď na rotující pevný (tuhý) disk nebo na taktéž rotující pružný disk vyrobený z ohebného plastu, například mylaru. U diskových pamětí se, zejména v porovnání s páskovými paměťmi, do značné míry podařilo snížit dobu přístupu k datům, jelikož se původně lineární struktura (páska pohybující se v jednom směru) změnila na soustředné kružnice (stopy), na něž je možné data číst či naopak zapisovat v náhodném pořadí, což u pásky byla poměrně komplikovaná a především časově náročná operace. Obecně je možné diskové paměti rozdělit do čtyř kategorií, z nichž pouze jedna má v dnešní době větší význam:

1. disketové paměti (používá se pružný disk)
2. diskové paměti s výměnným svazkem disků (používají se pevné disky, dnes prakticky bez významu)
3. diskové paměti s nevýměnným svazkem disků (klasické harddisky)
4. kazetové diskové paměti (pamětníci je většinou znají z výpočetních center)

Obrázek 13: Mechanika pro diskety o průměru 133mm (5 1/4 palce)

Zajímavé je, že již před více než třemi desetiletími došlo k ustálení průměrů disků na čtyřech téměř standardních hodnotách, které přetrvaly dodnes. To znamená, že i dnešní pevný disk v počítači má průměr, na kterém se firmy dohodly ještě v dobách kralování mainframů a v našich končinách panování počítačů EC (přesněji řečeno se od původních průměrů odvodily velikosti dnešních zařízení (CD-ROM mechanik, pevných disků, disketových jednotek, ZIP mechanik, páskových mechanik atd.) a tyto velikosti zpětně limitují průměry moderních pevných disků:

6. Literatura a odkazy na Internetu

• Karel Krištoufek: Kurs číslicových počítačů a mikropočítačů,
  SNTL, 1990
• A Chronology of Magnetic Recording,
  http://www.ac­mi.net.au/AIC/MAG­N_REC_CHRON.html
• Paměťová média: Magnetické pásky,
  http://www.emag­.cz/pametova-media-magneticke-pasky/
• John C Dvorak: Whatever Happened to Bubble Memory?,
  http://www.dvo­rak.org/blog/?pa­ge_id=8249
• Microdrive,
  http://www.nvg­.ntnu.no/sincla­ir/computers/pe­ripherals/micro­drive.htm
• From Poulsen to Plastic: A Survey of Recordable Magnetic Media,
  http://www.is­chool.utexas.e­du/~cochinea/html-paper/a-crews-03-magnetic-media.html
• Wikipedia: Magnetic Storage,
  http://en.wiki­pedia.org/wiki/Mag­netic_storage
• Wikipedia: Diskette,
  http://en.wiki­pedia.org/wiki/Dis­kette
• Wikipedia: ZX Microdrive,
  http://en.wiki­pedia.org/wiki/ZX_Mi­crodrive
• Wikipedia: Magnetic tape data storage,
  http://en.wiki­pedia.org/wiki/Mag­netic_tape_da­ta_storage
• Wikipedia: Stereo 8,
  http://en.wiki­pedia.org/wiki/8-track_cartridge
• Wikipedia: Exatron Stringy Floppy,
  http://en.wiki­pedia.org/wiki/E­xatron_Stringy_Flop­py
• Brief History of CS

Obrázek 14: Mechanika pro diskety o průměru 88mm (3 1/2 palce), která je dodnes montovaná do některých desktopových PC

7. Obsah následující části seriálu

V dalším pokračování tohoto seriálu si podrobněji popíšeme některé technologie použité u disketových mechanik i moderních pevných disků. Také se budeme věnovat dalšímu způsobu trvalého zápisu a čtení binárně zakódovaných informací, tentokrát s využitím světelných paprsků i principu magnetooptických mechanik, kterým byla v poměrně nedávné minulosti věnována značná pozornost.