电子计算机与数字磁记录

磁记录技术是由录音和还音开始的，1898年丹麦人浦尔生使用钢丝记录了话筒中的电流，并用耳机还音，发明了第一台录音机。20年代末，用氧化铁粉作介质的磁带出现了，这使磁记录技术向前迈了重要的一步。从此人们开始用磁带记录电压、电流压力机械位置等模拟量信号，并把它应用在录音、录象、雷达等领域中。电子计算机和数据通讯的飞速发展，使数字磁记录技术应运而生。在数字磁记录中，磁化与磁场的线性关系已经不重要了，数字“1”和“0”的两态差别是由磁介质的不同磁化方向来代表的，例如以剩磁+B\(_{r}\)表示1，r表示0，图1中以S—N表示1，N—S表示0。

电子计算机系统中的数字磁记录设备也叫计算机外部存储器，简称外存。外存的种类很多，除磁带之外，还有磁鼓、磁卡、磁盘等。70年代初，又出现了软盘，它与磁带相似，也是在涤纶薄膜上涂复一层三氧化二铁（Fe\(_{2}\)O3）制成，但性能比盒式数字磁带好，价格比硬盘低得多，很适合作微型机的外存，图2是它与计算机联接的原理框图。软盘目前已从8英寸为主转为以5.25英寸为主。这两种软盘的外形见图3。图4是5.25英寸软盘驱动器的外形图。软盘驱动器的结构如图5所示，主轴电机通过软盘片上的中心大孔驱动软盘以每分钟360转左右的速度旋转。磁头经读写电路控制，在软盘片的圆形磁道上写入或读出信息。步进电机通过丝杠或钢带驱动磁头在圆形半径方向移动。以选择要读写的磁道，软盘磁道为35至77不等。如磁道上每英寸可容纳6250位信息，位记录密度即为6520bpi。硬磁盘（可称硬盘）的工作情况与软盘相似，但硬盘转速高的多（3600转／分），故读写速度快，位记录密度和磁道密度也比软盘高得多，所以容量大，而且往往使用多片盘构成硬盘组，以进一步增加容量。图6是硬盘组驱动器的结构示意图，这里只画出与软盘驱动器的不同之处，磁头组小车不是用步进电机，而是由音圈电机（原理与动圈扬声器的音圈相同）控制磁头直线进退和定位。这样可以实现快速取数，由于硬盘的磁道密度高，为实现精确定位，采用了闭环伺服系统。

微型计算机，特别是个人计算机（pc）的飞速发展，还促进了5.25英寸微型温式磁盘、3.5英寸微型软盘、数据流式磁带机等的研制和生产。

围绕着数字磁记录设备的研制和使用，在计算机科学和数字磁记录技术领域中，出现了一系列的新技术，下面分别介绍几种。

磁带和软盘的磁头在读写时是与磁介质接触的。在硬盘中，盘片转速快，如果仍采取接触式的工作，会导致磁头磨损。因此，硬盘磁头采用浮动式工作。磁盘高速旋转时，产生反方向气流，气流将磁头托起，使磁头与磁盘之间产生很小的间距。该间距愈小，所能达到的记录密度就愈高。磁头缝隙和介质厚度与记录密度也存在同样的关系。图7有助于理解这种关系，其中g为环状磁头的缝隙、δ为磁头与介质的间距、d为介质厚度。磁头缝隙附近的漏磁通近似为半圆形。图中画有斜线的弓形区（实际位置要滞后一些）即为磁化翻转区，用于记录每一位“1”或“0”从图7（b）可以看出，当头盘间距较大时，磁化翻转区宽度W\(_{b}\)也较大（Wb＞W\(_{a}\)），从图7（c）和（d）还可以看出，磁头缝隙g和介质厚度d较大，则磁化翻转区宽度也较大（Wc>W\(_{a}\)、Wd＞W\(_{a}\)）。如果能设法减少磁化翻转区的宽度，那么记录密度就可以增加，因此如何减少头盘间隙和介质厚度已成为进一步提高记录密度的关键。薄膜技术在这方面获得了极大的成功。

薄膜磁头 在铁氧体上溅射一层铝，经照像腐蚀后形成线圈，再溅射一层二氧化硅作为绝缘，最后溅射上一层坡莫合金作为磁芯，就成为一个体积小重量轻的薄膜磁头了。现在薄膜磁头的缝隙已经小到0.6微米。

薄膜介质 与氧化铁粉介质相比，金属薄膜介质的均匀性好，耐冲击，信噪比高。更重要的是，薄膜介质的厚度可以作到百分之几微米那么薄。

主要的编码方式有不归零制NRZ、调相制PE、调频（双频）制FM、改进调频制MFM和成组编码GCR等，评价编码优劣的指标很多，主要是编码率、磁化翻转间隔比等。大略上讲，介质中的磁化翻转愈少，则编码的记录密度就愈高。图8给出了几种常用的磁化翻转示意图。采用FM编码的软盘，即平常讲的单密度软盘，所谓倍密度（双密度）软盘，则采用改进调频制MFM或成组编码GCR等。从图8可见，FM在记录“1”时，不仅逢“1”要进行磁化翻转，而且位与位之间也必须翻转；而记录“0”时只在位与位之间发生翻转。显然记录“1”时翻转频率为记录“0”时的两倍，故这种方式也称为双频制FD。MFM与FM不同，它逢“1”就翻，逢“0”不翻，但当两个连续的“0”出现时，在两个“0”位之间翻。GCR则预先需要将4位码成组地翻转成5位码（如图8中的1101转换为01101），然后再按逢“1”就翻的规律安排磁头的写电流。从图8的示例中，可以把FM、MFM和GCR的磁化翻转次数进行对比，FM翻了13次，MFM翻了6次，GCR为7次；显然采用翻转次数少的MFM和GCR可以使记录密度提高一倍。

1973年至1976年，磁盘技术有了一个重大突破，这就是温彻斯特（Winchester）技术，用这种技术制造的磁盘，称为温式盘，是第三代磁盘。

温彻斯特技术的特点是：把磁头及其定位机构以及盘片制造成一个密封的组合整体，在密封的盘内设有空气过滤器，进行内部循环，避免外界尘埃的污染；磁盘和磁头是接触式启停，浮动式工作；磁头很轻；介质有润滑特性等。

温彻斯特技术已经广泛应用和发展，不但在大容量，高性能的14英寸、10.5英寸多片磁盘组中使用，而且在8英寸、5.25英寸、3.9英寸、3.5英寸磁盘中使用。现在我国已能生产多种型号的温式软盘，附表是我国生产的5.25英寸3片式温盘主要性能一览表。

在传统的水平（纵向）磁记录中，磁化方向是与记录面平行的，如图9（a）所示。相邻磁化区之间会产生自减磁场，随着记录密度的提高和磁化区的缩短，则自减磁场增强，以致于最后将磁化区破坏。这就是说，水平磁记录密度有一个极限值。从理论上推导，这个极限值是每英寸2500次磁通翻转。

从消除自减磁场影响的目的出发，产生了磁化方向与记录面垂直新型记录方式，这就是垂直磁记录。

先从图9观察自减磁场对磁化的影响：水平记录的自减磁场H\(_{dx}\)在磁化翻转处呈最大值，由于它的影响，水平磁化分布Mx如图9（a）实线所示，从a处的最大值到b处的最小值，这个翻转平缓，即具有较宽的翻转宽度W，从而限制了记录密度的提高；而垂直记录的磁化区呈垂直并排站立状态，它们之间互相吸引，因而自减磁场H\(_{dY}\)在磁化翻转处呈零值，垂直磁化分布MY如图9（b）实线所示，从a处至b处的翻转陡峭，可以认为翻转宽度为零。从理论上看，垂直记录密度几乎可以做得无限高。专家们估计，它的位密度要比水平记录高约20倍。

垂直记录磁头与水平磁记录的环形磁头不同，图10是一种辅助极型磁头，它由主极和辅助极构成。辅助极是绕有线圈的铁氧体，主极是0.7微米厚的坡莫合金薄膜。磁盘夹在两个磁极中间，盘片上的磁介质与水平磁记录的不同，是用高频溅射法制成的钴（钛）铬合金薄膜。近几年来还出现了双层介质膜，它是先在盘基上溅射一层软磁材料和铁镍合金等作为水平磁化膜，再溅射一层钴（钛）合金作为垂直磁化膜。从图11（a）中可以看出，由于水平磁化膜的存在，记录面上下层的剩磁构成环路，好象一个个小马蹄形磁铁，使磁头的读出电压增高，从而提高了信噪比。从图9（b）中已经知道了垂直记录的磁化翻转宽度为零，呈阶跃状，故磁化分布M\(_{y}\)如图11（b）所示，似矩形波（而水平记录磁化分布象正弦波），所以其记录密度可以大大提高。当主极相对运动时，它捕捉到的磁通如图11（c），磁头的读出信号如图11（d）。要注意，读出信号脉冲的宽度与主磁极的厚度相等，这是垂直磁记录的特点。上文介绍的水平记录的各种编码，对垂直记录不再适用，垂直记录有自己独特的编码，其编码电路和解码电路比较简单，这也是该记录方式的优点之一。

此外还有一种准垂直记录方式，仍采用环形磁头，利用磁场的垂直分量进行垂直记录。这种磁记录方式的3.5英寸软盘，其容量达3MB。

数字磁记录技术是一门应用科学，它涉及精密机械、自动控制、半导体技术、计算机技术等非常广泛的领域、我国十分注意开展这一学科的理论研究工作、重视引进国外的新工艺和先进生产技术。目前，磁记录设备的生产已初具规模。(冯幸书)