Модифицированная частотная модуляция ( MFM ) — это линейный код с ограниченной длиной серии (RLL) [1], используемый для кодирования данных на большинстве дискет и некоторых жестких дисках . Впервые он был представлен на жестких дисках в 1970 году с IBM 3330 , а затем в дисководах для гибких дисков, начиная с IBM 53FD в 1976 году.
MFM — это модификация исходного кода кодирования частотной модуляции (FM), специально предназначенная для использования с магнитными запоминающими устройствами . MFM позволял устройствам удвоить скорость записи данных на носитель, поскольку код гарантировал только одно изменение полярности на каждый бит закодированных данных. По этой причине диски MFM обычно называют «двойной плотностью», тогда как более ранние FM стали известны как «одинарной плотности».
MFM используется со скоростью передачи данных 250–500 кбит/с (закодировано 500–1000 кбит/с) на стандарте 5+1 ⁄ 4 дюйма и 3+Обычные дискеты и дискеты высокой плотности диаметром 1 ⁄ дюйма . MFM также использовался в ранних конструкциях жестких дисков, до появления более эффективных типов кодов RLL. За пределами нишевых приложений кодирование MFM в магнитной записи устарело.
Магнитные запоминающие устройства, такие как жесткие диски и магнитная лента , хранят данные не в абсолютных значениях, а в виде изменений полярности. Это связано с тем, что изменяющееся магнитное поле индуцирует электрический ток в соседнем проводе, и наоборот. Посылая серию изменяющихся токов на головку чтения/записи, пока носитель проходит мимо нее, результатом будет структура магнитных полярностей на носителе, которые изменятся там, где данные были «1». Точная природа носителя определяет, сколько таких изменений может произойти на данной площади поверхности, и когда это сочетается с номинальной скоростью движения, это обеспечивает максимальную скорость передачи данных для этой системы.
Дисководы подвержены множеству механических воздействий и воздействий материалов, которые приводят к «дрожанию» исходной структуры данных во времени. Если на диск отправляется длинная строка «0», ничто не указывает на то, какому биту может принадлежать следующая «1» - из-за эффектов джиттера она может сместиться во времени. Для повторного выравнивания сигналов на диске с отдельными битами данных требуется своего рода синхронизация, закодированная на диске вместе с данными.
Для этой цели был разработан широкий спектр подходящих кодировок, известных как линейные коды . Их пригодность зависит от используемого носителя или механизма передачи.
Кодирование частотной модуляции (FM) было первой широко используемой системой, выполняющей эту операцию. Контроллер накопителя включает в себя точные часы, работающие на половине выбранной скорости передачи данных дискового носителя. Когда данные записываются на диск, тактовый сигнал чередуется с данными. При чтении тактовые сигналы используются в качестве кратковременных триггеров для определения времени присутствия или отсутствия следующего сигнала, представляющего биты данных. [2]
Преимущество подхода FM заключается в том, что схему записи чрезвычайно легко реализовать, а восстановление тактового сигнала при чтении также относительно просто. Обратной стороной является то, что он использует половину поверхности диска для тактового сигнала, тем самым уменьшая вдвое общий объем данных, которые может хранить диск. Это привело к появлению новых форм кодирования, которые были более эффективными.
Модифицированная частотная модуляция кодирует тактовый сигнал и данные в одном «окне тактирования». В отличие от FM, тактовый бит записывается только тогда, когда это необходимо для достижения синхронизации, когда текущий и предыдущий биты данных не установлены. В среднем MFM обеспечивает двойную плотность информации по сравнению с FM. [3]
Основное правило кодирования для MFM заключается в том, что (x, y, z,...) кодируется как (x, x NOR y, y, y NOR z, z, z NOR...). Нулевой бит кодируется как 10, если ему предшествует нулевой бит во входном потоке, и 00 , если ему предшествует единица; один бит всегда кодируется как 01 . Число магнитных переходов на один бит закодированной информации составляет в среднем от 0,75 до 1. [4]
Обратите внимание, что окружающие биты синхронизации иногда известны, но иногда требуется знание соседних битов данных. [ нужна цитация ] Более длинный пример:
Данные: 0 0 0 1 1 0 1 1 ...Кодировка FM: 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1...Часы МФМ: ? 1 1 0 0 0 0 0 0...Кодировка MFM: ? 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0...
(Жирным шрифтом выделены биты данных, остальные — тактовые биты.)
В FM-кодировании количество нулевых битов, которые могут появиться между последовательными единицами, равно 0 или 1. В MFM-кодировании между соседними битами имеется минимум 1 нулевой бит (никогда не бывает двух соседних единиц), а максимальное количество нулей в строке - 3. [ необходима ссылка ] Таким образом, FM представляет собой (0,1) код RLL, а MFM представляет собой код (1,3).
Поскольку система MFM требует более точной синхронизации тактового сигнала, экономически невозможно было построить необходимые аналоговые и цифровые компоненты на одной интегральной схеме с использованием технологии конца 1970-х годов. Вместо этого драйверы MFM требовали от производителя накопителя разработки собственной схемы восстановления тактовой частоты , системы, известной как разделитель данных . Дизайн разделителя данных сам по себе был формой искусства. [5]
Среди наиболее широко используемых контроллеров той эпохи была серия Western Digital FD1771 . Оригинальный FD1771 поддерживал только FM, но его быстро соединили с FD1781 и FD1791, которые выполняли MFM на основе внешнего тактового сигнала. Для реализации поддержки MFM с помощью этих драйверов требовался внешний разделитель данных. Быстрое улучшение производства микросхем в конце 1970-х и начале 1980-х годов привело к появлению первых недорогих универсальных драйверов MFM в начале 1980-х годов. WD2791 был первым, кто напрямую поддерживал MFM с использованием внутренней аналоговой системы фазовой автоподстройки частоты , но для реализации полноценной системы требовался ряд простых внешних компонентов. WD1770 был первым, кто реализовал полное решение MFM в одном чипе.
FM и MFM используются для обозначения положения отдельных битов в исходных данных, но данные сами по себе не имеют более высокого уровня организации, как «файлы». В этом и заключается цель формата диска. Диски обычно форматируются в сектора фиксированного размера, которые содержат дополнительную информацию заголовка, позволяющую связать их обратно с файлами.
В форматах IBM начало информации заголовка сектора и начало самих данных обозначаются специальной «меткой синхронизации», шаблоном из 0 и 1, который не может появляться в самих данных. Это достигается за счет отказа от кодирования этих данных с использованием кодировки FM или MFM, что позволяет водителю легко их обнаружить. Метка синхронизации, которая обычно используется в кодировании MFM, известна как «синхронизация A1», поскольку биты данных образуют начало шестнадцатеричного значения A1 (10100001), но пятый тактовый бит отличается от обычного кодирования байта A1.
Данные: 1 0 1 0 0 0 0 1Часы: 0 0 0 1 1 1 0Закодировано: 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 Синхронизация часов : 0 0 0 1 0 1 0Метка синхронизации: 100010010 0 01001 ^ Отсутствует тактовый бит
MMFM (Модифицированная Модифицированная Частотная Модуляция), также сокращенно M²FM или M2FM , похож на MFM, но подавляет дополнительные тактовые биты, создавая более длительную максимальную длину пробега (код (1,4) RLL). В частности, тактовый импульс вставляется между парой соседних нулевых битов только в том случае, если перед первым битом пары не был вставлен тактовый импульс. [6] В приведенном ниже примере биты синхронизации, которые должны были присутствовать в MFM, выделены жирным шрифтом:
Данные: 1 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1Часы: 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0Закодировано: 010100010010010010 0 0010010 0 010010010 0 010 0 001
В этой системе метки синхронизации создаются путем вставки дополнительных тактовых импульсов между соседними нулевыми битами (в соответствии с правилом MFM), где они обычно опускаются. В частности, в шаблон битов данных «100001» тактовый импульс вставлен в середину, где он обычно опускается:
Данные: 1 0 0 0 0 1Нормальный: 0 1 0 1 0Синхронизация: 0 1 1 1 0
Дано подробное описание ограничивающих свойств последовательностей с ограниченной длиной.
Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г.