Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/NSC/D19820616Elc026.shtml

Четыре быстродействующие ИС для реализации аппаратных функций винчестерского накопителя

УДК 681.327.634-185.4

Т.Стаут (Т.Stout)
Фирма National Semiconductor Corp. (Сайта-Клара, шт.Калифорния)

К.Кариналли (С.Carinalli)
Фирма National Semiconductor Corp. (Сайта-Клара, шт.Калифорния)

М.Эванс (M.Evans)
Фирма National Semiconductor Corp. (Сайта-Клара, шт.Калифорния)

Дж.Йоргенсон (J.Jorgenson)
Фирма National Semiconductor Corp. (Сайта-Клара, шт.Калифорния)

Дж.Пэйн (J.Payne)
Фирма National Semiconductor Corp. (Сайта-Клара, шт.Калифорния)

Г.Титц (G.Tietz)
Фирма National Semiconductor Corp. (Сайта-Клара, шт.Калифорния)

Т.Stout, С.Carinalli, M.Evans, J.Jorgenson, J.Payne, G.Tietz. Winchester electronic functions fit on four highspeed chips, pp. 117—123.

Описан разработанный фирмой National Semiconductor набор ИС, обеспечивающих адаптацию как к быстродействующим, так и дешевым дисковым накопителям. Высокие скорости обмена данными — до 30 Мбит/с — и стандартизованная конструкция обеспечивают совместимость со всеми основными стандартными интерфейсами накопителей на жестких магнитных дисках.

В течение последних нескольких лет появилось много винчестерских накопителей на жестких магнитных дисках, что позволило существенно увеличить емкость и скоростные характеристики внешней памяти в расчете на доллар для самых разнообразных вычислительных машин. Тем не менее все эти накопители, кроме самых простейших, остаются слишком дорогими для многих применений. Виноваты в этом электронные подсистемы как их собственные, так и их контроллеров, при изготовлении которых по-прежнему используются многочисленные высокочастотные аналоговые и цифровые приборы.

Набор приборов, только что разработанный специалистами фирмы National Semiconductor, решает эту проблему, сочетая современную технологию БИС со схемными решениями, удовлетворяющими всем основным стандартным интерфейсам накопителей на жестких магнитных дисках. Такой двойной подход оказался необходимым, чтобы обеспечить (а фактически превысить) требования по быстродействию, предъявляемые современными 355-мм дисковыми накопителями, не упуская при этом из виду также нужды недорогих и компактных накопителей.

Поскольку все четыре прибора изготавливаются путем усовершенствованной технологии с изоляцией окислом, они могут работать при скоростях последовательной передачи данных до 30 Мбит/с, — а это исключительно высокая скорость по стандартам сегодняшних дисковых накопителей для изготовителей комплексного оборудования, так как сейчас типовые скорости обмена данными составляют всего лишь 5 Мбит/с для 133-мм винчестерских накопителей, 7—9 Мбит/с для 203-мм моделей и 10—24 Мбит/с для 355-мм накопителей.

Разделение функций

Указанные четыре БИС содержат все аналоговые и почти все цифровые функциональные блоки, необходимые, как правило, для реализации различных стандартных интерфейсов накопителей (рис.1). Чтобы обеспечить еще более широкий спектр применений и снизить стоимость, при разработке этих приборов были учтены требования вырабатываемых сейчас стандартов на программируемые периферийные интерфейсы. В набор входят следующие приборы, получившие названия по основным функциям, которые они выполняют:

— Детектор импульсов, преобразующий считанные аналоговые сигналы в цифровые импульсы.

— Схема выделения данных, которая генерирует синхросигнал чтения, а также декодируетстандартные МЧМ-данные. [МЧМ — стандартный тип модифицированной частотной модуляции (Миллера) при кодировании с ограниченнойдлиной поля (RLL)].

— Схема кодирования данных по способу МЧМ.

— Блок параллельно-последовательного и последовательно-параллельного преобразования (БППП) со схемой форматирования, который осуществляет форматирование данных чтения и записи, а также их преобразование из последовательного кода в параллельный и наоборот.

Интерфейсы винчестерских дисковых накопителей. Хотя тракты чтения и записи данных, связывающие центральный компьютер и головку чтения-записи накопител
Рис.1. Интерфейсы винчестерских дисковых накопителей. Хотя тракты чтения и записи данных, связывающие центральный компьютер и головку чтения-записи накопителя, можно рассматривать как непрерывные, фактически они подразделяются на различные функциональные блоки в соответствии с требованиями интерфейса, выбранного разработчиками накопителя и контроллера. Набор ИС, предлагаемый фирмой National Semiconductor, предусматривает такое распределение функций, что его можно с успехом использовать для реализации стандартных промышленных дисковых интерфейсов или в программируемых дисковых накопителях.

Единственный из других основных необходимых компонентов — это микропроцессор, который обеспечивает программирование форматов и других переменных функциональных параметров. Этот процессор выбирается сам по себе, исходя из структуры системы, — он может быть стандартным 8-разрядным однокристальным микрокомпьютером «разумного» накопителя или центральным процессором небольшой вычислительной машины.

Высокое быстродействие новых приборов обеспечивается тем, что они изготавливаются теми же методами, которые применяются и при производстве высокоскоростных цифровых приборов. При изготовлении трех приборов применяется усовершенствованная технология с диодами Шотки, а четвертая ИС набора изготавливается по комплементарной МОП-технологии с двумя уровнями металлизации, так называемой М2К/МОП-технологии (рис.2).

Аналоговые и цифровые схемы. Поскольку аналоговые функциональные блоки детектора импульсов, схемы выделения данных и кодирования требуют применения би
Аналоговые и цифровые схемы. Поскольку аналоговые функциональные блоки детектора импульсов, схемы выделения данных и кодирования требуют применения би
Рис.2. Аналоговые и цифровые схемы. Поскольку аналоговые функциональные блоки детектора импульсов, схемы выделения данных и кодирования требуют применения биполярных транзисторов, они изготавливаются по технологии с диодами Шотки (а). Технология комплементарных МОП-схем (б) применяется для изготовления полностью цифрового прибора параллельно-последовательного преобразования и форматирования данных. В обоих случаях используются транзисторы с изоляцией окислом.

Детектор импульсов, схема выделения данных и блок кодирования — все эти приборы содержат как аналоговые, так и цифровые цепи, поэтому в них должны использоваться биполярные транзисторы. Усовершенствованная технология с диодами Шотки позволила скомбинировать эти приборы с МОП-элементами, которые обеспечили уменьшение их геометрических размеров и паразитных емкостей, а тем самым — и улучшение произведения быстродействия на мощность. Ионное легирование баз и эмиттеров транзисторов обеспечивает хорошие частотные свойства кристаллов, а применение диодов с барьером Шотки сокращает задержки распространения сигналов. Средняя задержка на логический вентиль составляет 1,5 нс, причем она снижается до 1 нс для важнейших схемных узлов. Прибор БППП изготавливается по М2К/МОП-технологии. Эта технология, которая в фирме National применяется также для изготовления вентильных матриц, предусматривает изоляцию погруженным окислом, карманы n-типа и самосовмещенные 2-мкм затворы. Эти особенности технологии способствуют уменьшению размеров транзисторов, емкости, сопротивления и порогового напряжения, благодаря чему задержки распространения сигналов для типовых внутренних приборов снижаются до 1,5 нс.

Универсальность новых приборов в значительной мере объясняется рациональным распределением между всеми четырьмя приборами функций обработки данных в тракте от головок чтения-записи до шины главной системы. Все системы дисковой памяти должны выполнять конкретные, четко определенные функции преобразования данных в операциях чтения и записи.

Чтобы считать данные с диска, система памяти должна выбрать нужную головку и обеспечить ее позиционирование, преобразовать считанный аналоговый выходной сигнал предусилителя в последовательность цифровых импульсов и сформировать синхросигнал чтения для этой последовательности импульсов. Затем она должна провести декодирование данных, их группировку в блоки байтового размера (т.е. последовательно-параллельное преобразование), а также исключение информации, относящейся к синхронизации, адресации и контролю ошибок (форматирование). Наконец, она должна обеспечить буферизацию данных и передачу их в центральную систему, обычно по каналу прямого доступа к памяти.

При записи данных имеет место обратный процесс: после выдачи данных по каналу прямого доступа к памяти производится буферизация, форматирование данных (однако теперь для доступа к нужному сектору и введения полей синхронизации и контроля ошибок), преобразование из параллельного кода в последовательный, кодирование и выбор головки. Задающий усилитель чтения-записи головки затем обеспечивает запись данных в виде последовательности переключений магнитного потока на дорожке диска.

Большую часть этих функций можно было бы выполнять схемами самого накопителя, контроллера или даже центральной ЭВМ. Однако стандарты на интерфейс обычно определяют то или иное разделение функций. Поэтому и приборы фирмы National распределяют между собой те же функции. Фирма — изготовитель накопителей может применять те приборы интерфейса, которые относятся к накопителю (рис.1), а изготовитель контроллеров или компьютеров — относящиеся к противоположной стороне интерфейса (в любом случае можно также использовать эквивалентную традиционную подсистему, удовлетворяющую требованиям тех же стандартов).

Набор ИС совместим со всеми тремя типами интерфейсов, которые обычно используются в настоящее время для сопряжения винчестерских накопителей и контроллеров: это расширенный интерфейс НГМД, интерфейс накопителя-модуля памяти (SMD) и интерфейс ХЗТ9/1226 Американского национального института стандартов АНИС (см. «Выбор интерфейса для винчестерского накопителя»).

Детектор импульсов (рис.3) всегда размещается в дисковом накопителе. Он преобразует считанный аналоговый выходной сигнал пред-усилителя в необработанные цифровые данные. При малых плотностях записи пики сигнала четко различимы. Однако с повышением плотности записи форма сигнала меняется — он переходит из так называемой области 1 в область 2 (рис.4). В области 2 амплитуды сигнала снижаются из-за взаимодействия разрядовых импульсов, сигнал не может возвращаться в первоначальное состояние, причем ухудшается также отношение сигнал/шум. В области 1 обычно работают те дисковые накопители, в которых применяются либо тонкопленочные головки, либо какой-нибудь специальный способ кодирования с органичением длины поля (например, коды 2,7 RLL). Накопители, в которых используются традиционные ферритовые головки и способ записи МЧМ, обычно работают в области 2. Детектор импульсов фирмы National рассчитан на работу в обеих этих областях.

Детектор импульсов. Этот прибор — единственный, который требуется для всех стандартных интерфейсов винчестерских дисковых накопителей. Сигналы, поступ
Рис.3. Детектор импульсов. Этот прибор — единственный, который требуется для всех стандартных интерфейсов винчестерских дисковых накопителей. Сигналы, поступающие с тонкопленочных головок, проходят через схему с автоматической регулировкой усиления, а временной фильтр обеспечивает обработку поступающих с ферритовых головок сигналов на фоне относительно высокого уровня помех.

Подавление помех. Тонкопленочные головки формируют относительно чистые сигналы чтения (область 1), в то время как ферритовые головки работают в област
Рис.4. Подавление помех. Тонкопленочные головки формируют относительно чистые сигналы чтения (область 1), в то время как ферритовые головки работают в области 2. Фильтрация по времени, которая производится при помощи размещенной на кристалле пинии задержки, позволяет детектору импульсов подавлять помехи в режиме области 2.

Детектирование импульсов для области 1 требует автоматической регулировки усиления и сравнения с порогом для различения сигналов на фоне шумов. В области 2 требуется один из видов временной фильтрации, которую можно выполнить с помощью БИС. В обычном случае для подобной фильтрации используется внешняя линия задержки. Однако формирователь импульсов выполняет свои функции без подобных линий задержки, поскольку на его кристалле при помощи управляемых синхронизирующих схем реализованы задержки с высокой разрешающей способностью.

При работе прибора в режиме области 2 используется тот эффект, что считываемые импульсы помех поступают парами, и благодаря этому можно обеспечить их взаимную компенсацию. Выходной сигнал пикового детектора задерживается перед поступлением на счетный вход D-триггера, а незадержанный импульс поступает прямо на вход D. Пиковый детектор отмечает пики, меняя полярность импульса. Если после одного сигнального импульса поступит другой, выход этого триггера также переключится и возбудит двухполярный одновибратор, формирующий импульс данных. Если, однако, на вход синхронизации поступит помеха, то второй импульс помехи погасит первый, так что импульс данных не будет послан на схему выделения данных.

Детектор импульсов — это только один из четырех приборов, размещенных в накопителе с расширенным интерфейсом НГМД. Схема выделения данных (рис.5) также устанавливается в накопителях с интерфейсами АНИС и SMD. Интерфейс ХЗТ9/1226 АНИС требует комбинированного синхросигнала чтения и управления, поэтому схема содержит мультиплексор синхросигнала и фильтр помех. Интерфейс SMD, с другой стороны, требует раздельных синхросигналов. Однако, поскольку контроллер игнорирует линию синхросигналов чтения при работе с линией сервосинхросигналов, один и тот же прибор можно использовать в обоих интерфейсах.

Схема выделения данных. После захвата в последовательности необработанных данных показанная схема генерирует синхроимпульс и декодирует данные, записа
Рис.5. Схема выделения данных. После захвата в последовательности необработанных данных показанная схема генерирует синхроимпульс и декодирует данные, записанные по способу модифицированной частотной модуляции. Она выдает также сигналы, которые могут быть использованы другими типами декодирующих схем в системах, где запись осуществляется не по способу МЧМ.

Схема выделения данных генерирует импульс синхросигнала чтения при помощи подсистемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), которая принимает поступающую последовательность данных, задерживает сигналы данных на половину интервала между импульсами и синхронизирует выход данных с импульсом синхросигнала чтения, сформированным ФАПЧ. ФАПЧ захватывает частоту последовательности данных в течение длительности менее 2 байт при высокой частоте слежения, а затем переключается на более низкую и стабильную частоту слежения, обеспечивающую компенсацию искажений из-за смещения разрядных импульсов. Пользователь может задавать частоты слежения при помощи двух внешних резисторов. Источником частоты может служить либо сервоповерхность, либо, в случае накопителя с шаговым двигателем, кварцевый генератор.

Этот прибор позволяет также декодировать данные, которые были записаны по способу МЧМ, применяемому в большинстве накопителей на жестких дисках. Для декодирования МЧМ-данных пользователь просто соединяет выход детектора автоподстройки со входом. Когда обнаруживается захват, фазовая диаграмма между синхроимпульсами и импульсами данных фиксируется с целью декодирования.

Если схема выделения данных при декодировании МЧМ-данных обнаруживает нарушение последовательности МЧМ-синхроимпульсов, она формирует импульс, который разрешает БППП обнаружение адресного маркера (при стандартном МЧМ-кодировании без возвращения к нулю (БВН) происходит подавление одного синхроимпульса, так что вместо 10000 получается 100-0). Детектор пропадающего синхроимпульса реализует согласование схемы выделения данных с расширенным интерфейсом НГМД, а также с интерфейсами АНИС и SMD. (Если в декодируемых данных нет синхроимпульсов, ИС не будут их вводить.) Однако для работы со специальными кодами RLL, применяемыми с целью увеличения емкости памяти, требуется внешний декодер.

Блок кодирования с предкомпенсациеи

В блок МЧМ-кодирования встроены новые средства предкомпенсации, при наличии которых линии задержки не обязательны; они впервые позволяют менять величину предкомпенсации от дорожки к дорожке под управлением микропроцессора. Для внутренних дорожек диска, где плотность записи максимальна, требуется увеличенная предкомпенсация, а для внешних — предкомпенсация может иметь меньшую величину или вообще отсутствовать. Предкомпенсация— это сдвиг позиций разрядов на носителе записи с целью уменьшения искажений считываемого сигнала, вызываемых высокой плотностью записи.

Блок кодирования данных. Кроме кодирования, этот прибор обеспечивает предкомпенсацию (изменение) позиций разрядов, что упрощает детектирование импульс
Рис.6. Блок кодирования данных. Кроме кодирования, этот прибор обеспечивает предкомпенсацию (изменение) позиций разрядов, что упрощает детектирование импульсов и исключает необходимость в линиях задержки. Предкомпенсацию можно программировать с учетом различий в записях различных дорожек, что сводит к минимуму искажения сигналов считывания для дорожек с повышенными плотностями записи.

Следует еще раз отметить, что эта структура соответствует техническим условиям АНИС и в то же время остается совместимой с другими интерфейсами. Например, блок кодирования генерирует адресные маркеры отсутствующих синхроимпульсов, необходимые для расширенного интерфейса НГМД. От БППП (или эквивалентной схемы контроллера) поступает сигнал, показывающий, когда следует закодировать такой маркер. После этого блок кодирования ищет двоичный код БВН 1000 и подавляет синхроимпульс, обычно вводимый в этот код.

Встроенный буфер позволяет обрабатывать поступающие данные с произвольной фазой по отношению к синхросигналу двойной частоты 2f, используемому для кодирования. Предкомпенсация осуществляется следующим образом: последовательные входные данные записи преобразуются в параллельные, анализируются бит за битом при помощи кода предкомпенсации, хранящегося в ПЗУ, и задерживаются на программируемый интервал времени после кодирования. Блок задержки предусматривает три варианта предкомпенсации: опережающий (без задержки), номинальный (с задержкой на единицу) и запаздывающий (задержка на две единицы). После этого размещенный бит поступает на выходные ТТЛ- и ЭСЛ-схемы для записи. Единицы задержки могут программироваться внешними устройствами с разрешением в 2 нс в диапазоне 0—20 нс. Величина предкомпенсации, которая определяет ступенчатые функции задержки, может загружаться и фиксироваться микропроцессором.

Форматирование и последовательно-параллельное преобразование

Дисковые контроллеры содержат схему форматирования и блок последовательно-параллельного и параллельно-последовательного преобразования БППП (рис.7) и факультативный микропроцессор. Формирователь реализует функции тракта обработки сигналов данных с высокой скоростью, а микропроцессор — прочие контроллерные функции с более низкой скоростью. В функции БППП входит задание последовательности полей формата, преобразование параллельных данных в последовательные и наоборот, буферизация и управление прямым доступом к памяти (ПДП).

Форматы и последовательности. Блок последовательно-параллельного и параллельно-последовательного преобразования и схема форматирования — это, по сущес
Рис.7. Форматы и последовательности. Блок последовательно-параллельного и параллельно-последовательного преобразования и схема форматирования — это, по существу, однокристальный контроллер, который может работать во взаимодействии либо со стандартным микропроцессором, либо с центральным компьютером, позволяя программировать форматы памяти и другие функции, которые меняются от системы к системе.

Форматирование заключается во введении дополнительных полей данных, принимаемых от центрального компьютера: так называемой «преамбулы» (начального поля) для автоподстройки схемы выделения данных; поля синхронизации, определяющего конец преамбулы и позволяющего установить границы байтов данных; секторных адресов; блочных адресов (называемых заголовками); поля контроля и исправления ошибок; различных видов «постскриптумов» (конечных полей) и промежутков. Поскольку сейчас не существует единого стандартного формата, его задает сам пользователь, вместе с различными операционными режимами, например, одно- или многосекторным, чтения или записи, контроля. Формат может загружаться в процессе инициализации системы, а операционные параметры могут меняться по мере необходимости. К размещенным на кристалле регистрам можно обращаться для получения информации о состоянии, сведений об ошибках и других оперативных данных.

Выход блока параллельно-последовательного преобразования соединен со входом декодера данных, а выход блока выделения — со входом последовательно-параллельного преобразователя. Во время операции считывания компаратор определяет адреса заголовков и границы байтов. Буфер магазинного типа (FIFO) позволяет хранить на кристалле 32 байт данных — вполне достаточно для того, чтобы предотвратить переполнение в случае, когда системная шина занята и не может быть использована для передачи данных в режиме ПДП. Прибор выполняет все функции управления режимом ПДП. Например, в счетчике содержится значение поля адреса, которое можно считать с порта ввода-вывода до выдачи действительных данных. Параллельная передача может производиться словами по 8 или 16 бит. Такой оригинальный подход позволяет строить недорогие микрокомпьютеры на основе только БППП, а также собственных процессора и памяти микрокомпьютера. Кристалл этого прибора содержит многие диагностические функциональные узлы. Он обеспечивает, например, контроль циклическим избыточным кодом и обнаружение/исправление ошибок. Кроме того, имеются пять контактов управления на случай, если требуются внешние средства обнаружения/исправления ошибок. Специальный сигнал прерывания уведомляет процессор о том, что нужный номер сектора найден, но заголовок не совпадает, при этом на ошибку такого вида процессор может отреагировать немедленно. БППП хранит последний считываемый заголовок для того, чтобы его затем мог прочитать микропроцессор. Кроме того, прибор предусматривает дуплексный режим для контроля путем чтения после записи, секторную взаимосвязь для специальной организации микропроцессором последовательностей форматов и прерывания по контрольным точкам при выполнении многосекторных операций.

«Разумные» дисковые накопители, т.е. накопители, в которых реализуются многие из функций традиционных контроллеров, не являются экономичными при скоростях передачи данных, присущих винчестерским накопителям. Кроме того, контроллеры обычно изготавливаются и продаются как самостоятельные подсистемы, поэтому промышленность, выпускающая их, в принципе против «разумных» накопителей.

Реализация «разумных» устройств

Очевидно, что предлагаемый набор ИС может с успехом использоваться для расширения функциональных возможностей современных дисковых накопителей при более приемлемых затратах, особенно для полностью укомплектованных настольных компьютеров, содержащих всего лишь один винчестерский накопитель. Однако «разумные» системные интерфейсы вскоре потребуются в устройствах со многими накопителями для повышения скорости обмена данными. Использование кабелей при передаче последовательных данных между накопителем и контроллером становится нерациональным при скоростях, существенно превышающих 10 Мбит/с, однако высокие скорости передачи данных вполне достижимы, если по кабелям параллельно передаются 1- или 2-байт слова данных.

Новые разумные интерфейсы ориентируются на эту особенность, так же как и предлагаемый набор ИС. Поскольку такие БИС могут преобразовывать последовательные данные в параллельные и наоборот при скоростях 30 Мбит/с, они позволят по шинам данных новых интерфейсов передавать байты данных со скоростями, значительно более высокими, чем это требуется для большинства компьютеров. А так как эти приборы совместимы с интерфейсами накопителей, на базе которых разрабатываются указанные стандарты, и в связи с их ориентацией на 16-разрядный тракт передачи данных от центрального компьютера они будут пригодны для реализации новых интерфейсов при минимальном числе внешних компонентов или последующих модификаций.

Дочерние статьи:

Выбор интерфейса для винчестерского накопителя

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 55, No.12 (642), 1982г - пер. с англ. М.: Мир, 1982, стр.26

Electronics Vol.55 No.12 June 16, 1982 A McGraw-Hill Publication

Т.Stout, С.Carinalli, M.Evans, J.Jorgenson, J.Payne, G.Tietz. Winchester electronic functions fit on four highspeed chips, pp. 117—123.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Системотехника





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/NSC/D19820616Elc026.shtml