home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Libris Britannia 4 / science library(b).zip / science library(b) / INFO / DISK_ART.ZIP / DISKS1 next >
Text File  |  1989-06-09  |  16KB  |  274 lines

  1.  
  2.  
  3.  
  4.  
  5.         ╔══════════════════════════════════════════════════════════════╗
  6.         ║                                                              ║
  7.         ║                       The Technology of                      ║
  8.         ║                     Magnetic Disk Storage                    ║
  9.         ║                                                              ║
  10.         ║                              by                              ║
  11.         ║                         Steve Gibson                         ║
  12.         ║                  GIBSON RESEARCH CORPORATION                 ║
  13.         ║                                                              ║
  14.         ║                                                              ║
  15.         ║     Portions of this text originally appeared in Steve's     ║
  16.         ║               InfoWorld Magazine TechTalk Column.            ║
  17.         ║                                                              ║
  18.         ╚══════════════════════════════════════════════════════════════╝
  19.  
  20.  
  21.         The technologies used to store and retrieve data to floppy and
  22.         hard disks is intriguing, intuitive, and surprisingly simple.
  23.         This article examines the technology of disk data storage.  Soon 
  24.         you'll know exactly how and why RLL hard disk controllers are 
  25.         able to pack 50 percent more data onto your trusty old reliable 
  26.         hard disk ... and why they may NOT be giving you something for 
  27.         nothing! 
  28.  
  29.         It all begins with two intimately related phenomena: magnetism
  30.         and electricity.  Just as a flow of electric current has a
  31.         direction which can be called positive or negative,  magnetism
  32.         has a direction known as north and south poles.  Recalling high
  33.         school physics, you'll remember that an electric current flowing
  34.         through a coil of wire creates a magnetic field, and conversely,
  35.         a change in a magnetic field near to a coil INDUCES a flow
  36.         of electric current.  If we add to this a metal's ability to
  37.         "remember" a magnetic field's direction by becoming magnetized,
  38.         we have everything we need for storing and retrieving
  39.         information.
  40.  
  41.         The read/write head in a slow-spinning floppy disk stays in
  42.         physical contact with the disk medium at all times while the
  43.         faster rotation rate of a hard disk causes its head to
  44.         aerodynamically FLY over the disk's surface when the drive is up
  45.         to operating speed.  Since a drive's read/write head and disk
  46.         "communicate" using magnetic fields, and since magnetic fields
  47.         travel through the air readily, actual physical contact between
  48.         the head and disk is not necessary.  The disk drive's head and
  49.         disk only need to be close enough to magnetically "couple" and
  50.         influence each other as a result.
  51.  
  52.         A disk's read/write head is a specially designed coil of wire
  53.         wrapped around a metal armature.  This armature has a very tiny
  54.         GAP across which the magnetic field generated by the coil JUMPS.
  55.         The gap serves to concentrate the jumping magnetic field into a
  56.         tiny spot on the disk.  As the field jumps the gap, a bit of
  57.         magnetic field protrudes from the head and passes through the
  58.         nearby disk or diskette.  When a read/write head wears out it's
  59.         because this gap has widened, becoming too large, and thus
  60.         has lowered the resolution of the head.
  61.  
  62.         Writing data onto a disk takes advantage of magnetization.  An
  63.         electric current is applied to the coil in the disk head.  This
  64.         produces a magnetic field which jumps across the gap of the head
  65.         and protrudes into the disk surface.  Since disks are composed
  66.         of a metallic oxide, tiny spots of the disk become magnetized
  67.         and thus "remember" the magnetic field which was imposed.
  68.  
  69.         Reading data is essentially the writing process in reverse.  The
  70.         tiny magnetic spots on the disk create their own tiny protruding
  71.         magnetic fields.  As the disk rotates, the disk head passes over
  72.         these tiny protruding fields.  When these fields fall across the
  73.         gap in the read/write head a small electric current is induced
  74.         in the head's wire coil.  A sensitive READ AMPLIFIER boosts this
  75.         signal up to useable strength for interpretation as the data
  76.         stored on the disk.
  77.  
  78.         The question now is:  How do we ERASE the little magnetized
  79.         blips on our disk to allow us to CHANGE the data recorded there?
  80.         So far all we could do would be to magnetize the entire track,
  81.         which wouldn't help us either!  The answer lies in the fact that
  82.         it is a CHANGE in the magnetic field which induces a recoverable
  83.         flow of current.  (After all, if a fixed magnetic field were
  84.         able to produce a steady current flow in a surrounding wire coil,
  85.         we'd have the equivalent of perpetual motion ... or perpetual
  86.         power!)  Remember that magnetic fields are like electric current
  87.         in that they're either present or not, and they have a distinct
  88.         direction, a north or south polarity!
  89.  
  90.         When we're WRITING data onto a disk we don't turn the current on
  91.         and off, we keep current flowing through our read/write head at
  92.         all times.  When we wish to write a "ONE" bit, we simply REVERSE
  93.         the POLARITY of the head's current.  This reverses the recorded
  94.         magnetic field from north to south or south to north.  We don't
  95.         care which way the field changes since ANY reversal represents a
  96.         "one" bit and no reversal represents a "zero."
  97.  
  98.         Since we have an electric current of one polarity or the other
  99.         flowing through the head at all times, the constant magnetic
  100.         field produced "plows over" any old "blips" or polarity
  101.         reversals which might have been present before.  This
  102.         effectively leaves "zeros" in our wake except where we
  103.         deliberately reverse the polarity to leave a "one" bit instead.
  104.  
  105.         So what are the various factors which determine the upper limits
  106.         on the number of "ones" and "zeros" a disk can hold and the finer
  107.         points of data storage encoding and density?
  108.  
  109.         We've seen that "one" bits are written onto floppy and hard disks
  110.         by reversing the polarity of the current passing through the
  111.         drive's read/write head.  "Zero" bits are written simply by not
  112.         reversing that polarity.  These polarity reversals cause a
  113.         DIRECTION reverse of the magnetic field "flux" imposed by the
  114.         read/write head upon the disk.  The data storing "memory" effect
  115.         of a disk comes from the metallic nature of the disk's oxide
  116.         coating which becomes magnetized with these patterns of "flux
  117.         reversals."  During data read-back these flux reversal patterns
  118.         induce a weak current pulse in the read/write head which is
  119.         amplified by the read amplifier and used to recover the stored
  120.         data.
  121.  
  122.         This data recording scheme leaves us with a major problem:
  123.         Reading back "ones" is simple since a pulse is received from the
  124.         read/write head for every flux reversal encountered, but "zeros"
  125.         are another matter entirely!  Since "zeros" are "written" by
  126.         writing nothing, we can't be certain exactly how many "zeros" were
  127.         written between the "ones!"
  128.  
  129.         In theory we could measure the TIME between successive "one"
  130.         pulses and infer how long the RUN of "zeros" must have been, but
  131.         this is
  132.         too uncertain when we have unlimited run lengths.  The first
  133.         single-density floppy disk controllers used a simple data
  134.         encoding scheme to solve this problem.
  135.  
  136.         A "zero" data bit was actually written as a one-zero pulse pattern
  137.         (a pulse and a pause) on the disk and a "one" was written as a
  138.         "one-one" pattern (two pulses).  In this coding scheme the first
  139.         pulse, known as the clock-bit, was always present, and the second
  140.         pulse, known as the data-bit, was the actual data to be written.
  141.  
  142.         Writing five "ones" in this scheme would produce a pulse pattern
  143.         of 1111111111 on the disk while writing five "zeros" produces
  144.         1010101010.  Since the frequency of pulses for "one" data bits is
  145.         twice that for "zeros" this scheme was known as FREQUENCY
  146.         MODULATION or "FM" encoding.  In FM the minimum RUN LENGTH of no
  147.         flux reversal pulses is zero since there might be no pauses at all
  148.         between pulses and the maximum pause run length is "one" since the
  149.         interposed "clock bits" guarantee at least a one pulse every
  150.         other time.  A notational shorthand for this scheme would be
  151.         "0,1 RLL."  (getting the picture?)
  152.  
  153.         This simple encoding scheme worked wonderfully.  Everyone was
  154.         happy, felt good, and smiled a lot.  However after a while,
  155.         people began to want more.  The problem with the FM modulation
  156.         scheme is that it was inefficient.  It used up lots of pulses
  157.         since a "one" data bit used two pulses and a "zero" used one.  It
  158.         required an average of one and a half pulses per data bit.
  159.  
  160.         One way of increasing the density would have been to put the
  161.         pulses closer together, but they were ALREADY as close together
  162.         as they could be!  So a bright engineer came up with a clever
  163.         solution:  If we promised to always have a least ONE pause
  164.         between pulses, we could put the pulse patterns out twice as
  165.         fast!  Then two twice-as-fast pulses separated by one pause
  166.         would be no closer than two pulses right next to each other had
  167.         been before!
  168.  
  169.         This coding scheme is called MFM for MODIFIED Frequency
  170.         Modulation.  A "one" bit's pulse pattern is 01, and a 0 is x0
  171.         where
  172.         x was a pause if there had just been a pulse and a pulse if
  173.         there had just been a pause.  Twiddling around with this on a
  174.         napkin you'll see that this always forces at least 1 no-pulse
  175.         pause between pulses and never allows more than 3 pauses between
  176.         pulses.  Since this MFM coding scheme doubles the data rate over
  177.         FM, it is called double-density and could also be called 1,3 RLL
  178.         since the pause run lengths are limited between 1 and 3. All
  179.         standard floppy and hard disk today use this MFM or 1,3 RLL
  180.         encoding.
  181.  
  182.         Then when we began wanting even more density the way was clear.
  183.         2,7 RLL, known today simply as "RLL,", cranks the data bit rate,
  184.         and therefore the density, up 50 percent higher by guaranteeing at
  185.         least 2 (very short) pause intervals between successive pulses
  186.         and limiting the pause run length to 7.
  187.  
  188.         Another way of looking at this will show you what's REALLY
  189.         HAPPENING here:  We've been cranking the data rate and data
  190.         density upwards while promising not to place successive pulses
  191.         closer together.  We've been squeezing more INFORMATION out of
  192.         the same overall NUMBER of pulses by using their EXACT POSITION
  193.         IN TIME to carry the information.
  194.  
  195.         The EXACT TIMING PLACEMENT of the pulses is used to convey more
  196.         information than the pulses alone could!  This is why many hard
  197.         disk drives which work wonderfully for MFM encoded data WILL NOT
  198.         FUNCTION RELIABLY with the new 2,7 RLL controllers.  These RLL
  199.         controllers demand far more accuracy from the drive's magnetic
  200.         systems than they were ever designed to deliver.
  201.  
  202.  
  203.         So what about RLL controllers and MFM drives?
  204.  
  205.         The thought of exchanging an existing MFM hard disk controller
  206.         for an RLL controller is quite captivating.  By placing 25 or 26
  207.         sectors on a track, RLL controlllers deliver a 50 percent storage
  208.         gain over standard MFM controllers with their 17 sectors.  Ten
  209.         megabyte drives hold 15 megs. and 20s become 30s.
  210.  
  211.         Aside from sheer storage space there is another unexpected
  212.         advantage to RLL.  Imagine that your disk initially held 20
  213.         megabytes with MFM encoding.  Converting to RLL encoding now
  214.         yields 30 meg.  Notice that the original 20 megs have been
  215.         squeezed down.  Now they occupy only 2/3 of the disk.  This means
  216.         that your drive's read/write head only moves 2/3 as far as before
  217.         to reach the same data!  In effect you've SUBSTANTIALLY REDUCED
  218.         the average seek time of your drive ... for free!
  219.  
  220.         This is something most people completely fail to take into
  221.         account with hard disk drives.  The time to move the read/write
  222.         head from track to track is NOT the whole story.  It's critical
  223.         to consider how much data that track-to-track move COVERS.  A
  224.         drive with more storage platters (and heads) or more sectors per
  225.         track has a greater "cylinder density."  RLL automatically
  226.         increases a drive's cylinder density.
  227.  
  228.         RLL also affects the optimal interleaving factor for a drive!
  229.         Remember that MFM and RLL utilize essentially the same number of
  230.         flux reversals per inch.  However RLL utilizes infinitesimal
  231.         timing placements of the pulses to convey more information.
  232.         This means that the actual recovered data rate is 50 percent
  233.         higher.
  234.  
  235.         Data flows from an RLL encoded drive at 7.5 million bits per
  236.         second, as opposed to 5 million bits per second for MFM.
  237.         Unfortunately PC and XT busses are already pushed to the limit
  238.         by the optimal sector interleave of existing MFM controllers.
  239.         Therefore RLL controllers require a LOOSER optimal interleave
  240.         than MFM controllers.  This does not mean that RLL controllers
  241.         operate slower, quite the opposite is true.  Since the PC bus is
  242.         not able to take data any faster, and since there are now 25 or
  243.         26 sectors per track, it's completely reasonable to require more
  244.         revolutions of the disk to read or write 50 percent more data.
  245.  
  246.         It is much more critical to optimize the sector interleave for
  247.         RLL encoding than for MFM.  The latest RLL controller from WD is
  248.         the nicest I've seen, however using their default interleave of
  249.         3 on a standard 4.77 Mhz PC or XT requires 28 revolutions to
  250.         read an entire track!  Setting the interleave to 4 allows the
  251.         same data to be read in JUST 4 REVS!  A 700 percent performance
  252.         boost, free!
  253.  
  254.         Now for the bad news:  Many people have had trouble with RLL
  255.         controllers.  This is typically caused by the hope that an RLL
  256.         controller's magic will function with any MFM-compatible drive.
  257.         We've seen why this may not be so.  It also appears that hard disk
  258.         drive manufacturers, eager to cash in on the RLL craze,
  259.         have merely been labeling the best of their MFM drives as RLL
  260.         capable, rather than re-engineering their drives for RLL
  261.         operation.  RLL is still so new that adequate drive testing
  262.         equipment is in very short supply.
  263.  
  264.         Make no mistake, RLL encoding is the future.  These initial
  265.         startup growing pains will fade and RLL technology will become
  266.         the new standard.
  267.  
  268.                                    - The End -
  269.  
  270.  
  271.                      Copyright (c) 1989 by Steven M. Gibson
  272.                              Laguna Hills, CA 92653
  273.                             **ALL RIGHTS RESERVED **
  274.