Root » Servers » » Harde schijf » » Diverse » » Codering
Hoe werkt een harde schijf
De codering van de gegevens
Werking
De algemene werking van een harde schijf wordt hier besproken. Wij beperken ons op deze pagina hoe de gegevens op de schijf opgeslagen worden.

Deze manier van data-opslag wordt op de meeste dragers toegepast: zowel op de magnetische laag van harde schijven als de optische laag van CD en DVD plaatjes.

-

-

NRZI + EFM = RLL

De data wordt op een cirkelvormige spoor opgenomen. De bedoeling is zoveel mogelijk data op te nemen, dus met de sporen zo dicht mogelijk tegen elkaar. Maar ook de opgeslagen data moet zo weinig mogelijk plaats opnemen: de overgangen of "eilandjes" moeten zo klein mogelijk zijn. Maar men is beperkt in de afmeting van de "bits": worden de magnetische eilandjes te klein, dan gaat de magnetisatie verloren. men kan dus niet onbeperkt de hoeveelheid data per oppervlakte eenheid opvoeren.

De gegevens worden niet gemoduleerd (zoals bij een modemverbinding of bij de radio) maar ze worden opgenomen zoals ze zijn (baseband opname). Echter, bij de zeer hoge dichtheden die toegepast worden, kan men de data-bits zomaar niet op de schijf schrijven.

    Volgende problemen kunnen optreden als men dat wel zou doen:
  • te snelle overgangen: een snelle opeenvolging van positieve en negatieve magnetisatie kan ertoe leiden dat ze elkaar "wissen" (intersymbol interference noemen wij techniekers dit, maar als gewone sterveling kan u deze benaming vergeten).
  • synchronisation loss: als er te weinig overgangen van + en - magnetisatie zijn, dan verliest de controller de juiste klokpositie: waren dat 10 of 11 nullen?
  • DC-component: als er teveel nullen of eentjes elkaar opvolgen, dan ontstaat er een gelijkspanningscomponent in de versterker, waardoor die minder goed gaat werken.

Dit wordt ten eerste opgelost door EFM Eight to fourteen modulation en NRZI Non Return Zero Indication. Beide systemen werken samen zodat er veel hogere densiteiten bereikt kunnen worden.
NRZI - Non Return Zero Indication
In plaats van voor ieder 1-bit een positieve signaal op te nemen en voor ieder 0-bit een negatieve signaal op te nemen, gaat men enkel de polariteit omwisselen bij een 1-bit. Uit de figuur ziet je duidelijk dat het aantal polariteitswisselingen tot de helft gereduceerd is. Als het aantal omwisselingen lager is, dan kan de de opnamedichtheid verhogen, maar zover zijn we nog niet. Je merkt dat bij een aantal opeenvolgende 1 de frekwentie niet verlaagt wordt, en bij een te hoog aantal nullen de synchronisatie met de klok verloren dreigt te lopen.
EFM - Eight to Fourteen Modulation
De 8 bits van ieder woord worden uitgebreid tot 14 bits, waarbij rekening wordt gehouden met het feit dat er nooit meer dan (bijvoorbeeld) 10 nullen elkaar opvolgen (zodat de controller de klokinformatie nog kan gebruiken). Maar er mogen ook nooit twee eentjes achter elkaar staan (zodat de frekwentie niet te hoog wordt).
We bespreken hier verder het systeem dat toegepast wordt bij CD en DVD omdat die gestandardiseerd is (een plaatje moet immers op alle toestellen afgespeeld kunnen worden), terwijl de codering die gebruikt wordt bij harde schijven verschillend is van fabrikant tot fabrikant, van model tot model, en van het gemiddeld waterpeil in Thailand.

Bij de CD of DVD wordt er geen magnetisch veld opgenomen, maar een eiland of een put die het licht zullen reflecteren of niet. Dit veranderd niet aan de werking van het systeem.

Het EFM systeem is één van de talrijke RLL (Run Length Limited) systemen waarbij men het aantal opeenvolgende nullen aan banden legt. CD's gebruiken een codering RLL 3,10 (minimum 3 en maximum 10 nullen achter elkaar).

De overgang van 8 naar 14 bits geeft hoe vreemd het ook mag lijken een betere opslag van de data. Een byte heeft in het slechtste geval 8 polariteitsovergangen nodig, terwijl dat dezelfde byte in gecodeerde vorm slechts 5 overgangen nodig heeft. Zelfs al hebben niet alle bytes 8 polariteitswisselingen nodig, toch moet het systeem daar rekening mee houden. Bij EFM zitten er altijd minstens 3 nullen tussen een één, er zijn dus minder polariteitswisselingen. Men kan de klokfrekwentie opvoeren tot 6× de klokfrekwentie bij opname zonder codering.

Uit de 14-bits combinaties zijn er 267 combinaties die aan de gevraagde criteria voldoen, wat voldoende is om de 256 mogelijke waarden van een byte te coderen. Naast de 14 bits worden er nog 3 tussen-bits gevoegd om ontoelaatbare combinaties te voorkomen. EFMPlus maakt het mogelijk 8 bits te coderen in 16 bits in totaal (in plaats van 17 bits: 14 data + 3 tussenbits) door twee opeenvolgende bytes samen te coderen. Deze codering wordt bij DVD gebruikt en laat een capaciteitswinst van 6.25% toe.

De "slicer" die de gelezen informatie moet omzetten in een digitale stroom werkt beter als het gemiddeld niveau rond de 50% zit (dus evenveel hoge als lage waarden). Dit codeersysteem wordt toegepast bij alle systemen van digitale opslag zoals CD- en DVD-plaatjes, maar ook tape back-up systemen en harde schijven. NRZI en EFM zijn dan ook begrippen dat je vaak zal tegenkomen bij dergelijke toestellen.

Bij harde schijven heeft men beide benamingen NRZI en EFM gecombineerd tot één begrip: RLL (run length limited). RLL wordt meestal gevolgd door twee cijfers, bijvoorbeeld RLL 2,7: na een 1 (polariteitswissel) mogen er minimaal 2 en maximaal 7 nullen volgen. Met minder dan twee nullen volgen de overgangen elkaar te snel op (intersymbol interference), met meer dan 7 nullen loop je de kans dat je de klok kwijt bent.

De skoopbeelden zijn afgetapt van een CD speler. De klokfrekwentie bedraagt 4.31Mhz (232ns), maar de hoogste frekwentie dat verwerkt moet kunnen worden is zesmaal lager omdat een "1" (polariteitswijziging) altijd gevolgd moet worden door minstens twee nullen. Men heeft dus voldoende aan een bandbreedte van minder dan 1MHz.

De volgende foto toont ons een oscilloscoopbeeld waar de korste (rood) en langste (geel) periodes extra aangeduid zijn. De codering gebeurt iedere halve periode en een korte halve periode kan door een korte of lange periode gevolgd worden. Op de skoopbeeld is er een lichte piek zichtbaar, die veroorzaakt wordt door de extra versterking van de hoge frekwenties.

De duurtijd van de periodes is vastgelegd, en dit heeft een bijkomend voordeel, namelijk de goed begrensde bandbreedte (zie laatste grafiek die de bandbreedte toont van het signaal). Daardoor kunnen de servo systemen beter werken, want alles wat buiten deze bandbreedte valt is gewoon ruis. Zo kan de lasereenheid een spoor volgen die dunner is dan een mensenhaar.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's

-