磁记录原理

磁记录介质
硬磁材料和软磁材料：
磁场强度H，使磁性材料产生一定的磁化强度M。

外加磁场强度变回0时，对应的磁化强度值Mr称为剩余磁化，磁化强度为0时，对应的磁场强度Hc称为矫顽力。

硬磁材料：矫顽力大的磁性材料。

也就是，即使去掉磁场，仍有很大剩磁的材料。

如磁铁，磁记录材料（磁盘）。

软磁材料：矫顽力很小的磁性材料。

去掉磁场几乎没有多少剩磁。

如磁头，变压器铁芯。

磁盘：
磁盘高速旋转，磁头可作径向移动，磁头停在某一个位置，就可对磁盘的某一磁道进行读写。

磁盘有软磁片和硬磁片之分，有单磁片和多磁片之分，每个磁片有单面和双面之分。

磁记录信息的记录与再现：
记录：记录电流足够大，产生的磁场强度能克服磁介质的矫顽力，就能在其表面产生一个磁化区域，它的方向由N极（+极）指向S极（-极）。

再现：要想把磁化状态转化为电信号，根据法拉第电磁感应定律，感应的电动势：e = - (dφ/dt)。

磁头的线圈为N匝时，可认为磁通量φ通过线圈N次，这时的电动势为：
挲
在磁记录中，读取的不是介质上的磁化结果，而是读取磁化的变化。

可以说记录过程是安培定律的实际应用，再生过程是法拉第定律的实际应用。

01信号的记录与再现实例：
数字（0，1）磁记录的记录方式和编码方式
1．记录密度：磁道上单位长度（通常指1英寸）上能记录的二进制数据位的数量。

位密度越高，磁盘存储容量越高，存取速度越快，位价格降低。

2．自同步能力：由于磁盘机械装置的离散性，特别是磁盘转速的误差，使读出信号峰值位置产生漂移，在无自同步提取数据位时极易发生误码。

对于串行存储的数据位，只要丢掉一位就会造成整个存储失败。

存储数据的磁盘要求有尽可能高的存储密度和一定的自同步能力。

就要采用相应的记录方式和编码方式。

记录方式：
一．归零制（RZ）：用正脉冲电流波表示“1”，用负脉冲电流波表示“0”，每次磁化后总要回复到非磁状态。

其特点是：
1．位密度低：每一个数据位都要翻转两次，有非磁化区。

2．具有自同步能力：记录每位数据时都要翻转，所以在读出时每一位信息本身都包含了可作为时钟的同步脉冲。

二．归偏制（RB）：用正脉冲电流波表示“1”，但对“0”或无信息时，写电流置于反向饱和电流值。

其特点是：
1．位密度：比归0制高。

记录“1”时磁层翻转二次，记录“0”时磁层不翻转。

2．无自同步能力。

三．不归零制（NRZ）：记录“1”时写线圈通正向电流，记录“0”写线圈通反向电流。

1．位密度提高：仅在相邻信息不同时，磁通才有变化。

2．无自同步能力。

四．逢“1”翻转的不归零制（NRZI）：仅在记录“1”时才改变电流方向，记录“0”
时不改变电流方向。

1．位密度与NRZ制相同。

2．无自同步能力。

在记录连续几个“0”时，读取时没有磁通变化，只能按理论的时间判断是几个“0”，因磁盘转速的离散性，会失去同步。

编码方式：
一．调频制（FM）：在NRZI的基础上，每位数据位前加上同步时钟信息（“1”），记录“1”
的电流变化频率是记录“0”的电流变化频率的一倍。

1．位密度低。

2．具有完整的自同步能力。

二．改进调频制（MFM）：记录“1”时磁化方向仅翻转一次，记录单个“0”磁化方向不翻转，仅当出现连续两个“0”时，磁化方向才在位元交界处翻转一次。

1．位密度是FM制的一倍。

2．具有不很完善的自同步能力。

提高了对读电路的要求。

三．改进的改进调频制（M2FM）：记录“1”和记录“0”的方法同MFM。

不同的是，在连续记录几个“0”时，连续两个“0”位元间磁化方向翻转的条件是前面连续两个“0”
位元间磁化方向没有翻转。

比MFM插入的时钟位更少。

四．调相制（PM）：记录“1”时磁化电流由负变正（在位元中间处），记录“0”时磁化电流由正变负（在位元中间处）。

有完整的自同步能力，但位密度低。

数据 1 0 1 1 0 0 0 1
五．成组编码（GCR）：如下表（GCR4/5）
磁道格式（磁盘格式化）
以5寸软磁盘为例：磁盘存贮空间由若干磁道组成。

1．磁道首部：由间隔GAP1组成，为32B的FFH，用于缓冲，防止索引孔检测装置的误差而影响盘片的互换性。

2．扇区段：由若干等长的扇区组成，每个扇区都分割成地址场和数据场，另有两个间隙（GAP2,GAP3）。

地址场由同步（SYNC），地址标志（ID AM），地址字段（ID）和校验码（CRC）组成。

SYNC占12B的00H，在读盘时用于锁相电路锁住读出数
据所需的同步时间。

地址标志表明下一字段是扇区地址。

地址字段占4B，依次为
磁道号（C），磁头号（H），扇区号（R），每扇区字节数（N）。

N用0，1，2，3
分别表示每扇区字节数为128，256，512，1024。

地址场后留出22B的间隙GAP2，用于从读数据到写数据电路的切换时间。

数据场设置原理与地址场相同。

数据场后
是间隔GAP3，它的长度随每磁道设置的扇区数而变，是为补偿因主轴转速出现偏
差引起的扇区长度的变化。

3．磁道尾部（GAP4）：它的长度随每磁道设置的扇区数而变，是为补偿因主轴转速出现偏差引起的扇区段所占磁道长度的变化。

硬盘磁道格式见下图。

扇区交错数：
由于硬盘转速高于软盘十倍，当系统欲连续读取同一磁道的几个扇区时，读第一个扇区进入缓冲区后，在向系统传送时，因盘片旋转太快，第二个扇区可能早就从磁头下方越过，必需等待盘片转一圈后再读第二个扇区。

因此，扇区的位置号不是顺序编号，根据磁盘数据传输率，让扇区交错排列，当第一个扇区读出并完成传送后，第二个扇区正好位于磁头的下方。

例如，扇区交错数为6的排列如下：
1，4，7，10，13，16，2，5，8，11，14，17，3，6，9，12，15
磁盘的文件系统
我们平常使用磁盘存取数据是通过操作系统，以文件为单位，用文件名作标示符对某一数据集合进行存贮和读取。

具体存在什么位置，到哪去读取是由操作系统完成的。

为简单地说明文件系统的工作原理，我们介绍DOS如何处理1.4M软盘的文件系统（便于做实验）。

磁盘格式化后，DOS对磁盘的操作均采用逻辑扇区为访问对象。

逻辑扇区编号以0磁头0磁道上的第1个扇区为逻辑0扇区，对某一磁道先编低号磁头下的所有扇区号，然后编下一磁头号下的所有扇区号，直到该磁道所有磁头下的扇区都编完，再进到下1磁道，依次类推。

磁盘逻辑格式布局：
1．保留区：（0扇区）主要是磁盘的参数表。

2．FAT：文件分配表，表明每个文件都存贮在哪些扇区。

3．FDT：目录区，每个文件的目录信息。

保留区
我们主要关注磁盘I/O参数表（BPB），从0BH位置开始的19个字节。

下面按顺序列出11个参数，其括号内的数字是参数的字节数。

每扇区字节数（2），每簇扇区数（1），保留扇区（2），FAT数目（1），根目录登记项数（2），总扇区数（2），磁盘介质标志（1），每个FAT扇区数（2），每道扇区数（2），磁头数（2），隐含扇区数（2）。

以1.4M软盘为例：
说明：
1．从0BH位置取2字节：00 02，低字节在前，每扇区是512字节。

2．取1个字节：01，每簇1个扇区。

3．取2个字节：01 00，保留扇区是1个扇区。

4．取1个字节：02，有2个FAT。

5．取2个字节：E0 00，根目录登记项数224个。

6．取2个字节：40 0B，总扇区数11*256+64=2880个。

7．取1个字节：F0，1.4M磁介质标志。

8．取2个字节：09 00，每个FAT有9个扇区。

9．取2个字节：12 00，每个磁道有18个扇区。

10．取2个字节：02 00，有2个磁头。

11．取2个字节：00 00，0个隐含扇区。

文件目录表（FDT）
每个文件目录登记项在FDT中占32个字节，每个扇区是512字节，可有16个目录项，整个磁盘有224个目录登记项，所以FDT占用14个扇区。

文件名域（8）：8个字节，存放文件名的8个ASCII码。

扩展名域（3）：3个字节，文件扩展名3个ASCII码。

属性域（1）：1个字节，20H（存档），01H（只读），02H（隐含），04H（系统），10H（子目录）
时间域（2）：2个字节，小时（高5位），分（中间6位），秒（低5位）。

日期域（2）：2个字节，年（高7位，相对1980年），月（中间4位），日（低5位）。

首簇域（2）：2个字节，分配给文件的第1个簇号，其他簇可在FAT的“簇号链”中找到。

长度域（4）：4个字节，文件的实际字节数。

文件分配表（FAT）
FAT的第1个字节是磁盘介质标志，后面2个字节（12位格式）是FFH。

下面就是文件的“簇号链”。

文件数据区首扇区号=保留扇区数+FAT扇区数+FDT扇区数。

1.4M软盘的文件数据区首扇区号=1+9+9+14=33（21H）
在文件目录表中给出了每个文件的首簇号，有了它就可在FAT的“簇号链”中找到它的其
他簇号，根据簇号就能计算出文件存放的逻辑扇区号。

逻辑扇区号=（簇号-2）* 每簇扇区数+文件数据区首扇区号
FAT簇登记项的获取方法：
1．将当前的簇号乘以1.5。

2．取乘积的整数部分作为该簇号在FAT的相对位移。

3．从此位移地址取出一个16位字数据（低字节在前）。

4．若当前簇号是偶数（即乘积为整数），则取其字数据的低12位，否则取其高12位。

5．12位的簇登记项值若非FFFH，则是簇号链中当前簇的后续的簇号，否则，当前簇为链中最后一簇号。

下面根据1个实际磁盘的例子，说明FDT和FAT的存贮格式。

如1个1.4M软盘上存有2个文件，目录如下
先看目录表（FDT）
FDT首扇区号=保留区（1）+ FAT1(9) + FAT2(9) = 19 (13H)
从第3行开始
1．54 45 53 54 是文件名“TEST“的ASCII码，42 41 53 是文件扩展名“BAS“的ASCII 码。

2．20H是文件属性，是“存档”文件。

3．4CH 57H是时间，二进制为0101011101001100，高5位：10时，中6位：58分，低5位：12秒。

4．56H 3FH是日期，二进制为0011111101010110，高7位：31+1980=2011年，中4位：10月，低5位：22日。

5．02H 00H是首簇号：02。

6．80H 00H 00H 00H 是文件长度：128个字节。

第2个文件“kongjun.TXT“分析方法同上。

它的首簇号是：03。

有了首簇号，我们来看FAT的“簇号链”。

第1个文件的首簇号是2（偶数），2*1.5=3，从FAT偏移3的地址取出FFH 4FH，（4FFFFH），偶数取低12位：FFFH，说明2簇是它的最后1个簇（只有1个簇）。

文件扇区号=（簇号-2）* 每簇扇区数+文件数据区首扇区号=（2-2）* 1 + 33 = 33 (21H).
这就是文件内容：
第二个文件的首簇号是03（奇数），3*1.5=4.5,取整：4，在FAT中取出：4FH 00H（004FH），取高12位，004(偶数)，这是下1簇号，由这个簇好再取下一簇好。

4*1.5=6，取整：6，在FAT中取出：05H 60H （6005H），偶数取低12位：005H，下一簇号是5。

依此类推，找出这个文件存储的所有簇号。

第一个簇号是：3。

（3-2）* 1 +33 = 34 （22H）。

这就是文件的内容：（按ASCII码存储）
11。