ЗАПОМИНАЮЩИЙ МОДУЛЬ СО СМЕННЫМ НОСИТЕЛЕМ

Предлагаемая полезная модель относится к внешним запоминающим устройствам на сменном оптическом носителе с произвольным доступом к данным электронных вычислительных машин и может использоваться в других системах, где требуется запоминание цифровой информации на носителе. Предлагаемая полезная модель может использоваться во внешних запоминающих устройствах ЭВМ средней, высокой и сверхвысокой производительности, в информационно-поисковых системах, при решении задач математической физики большой размерности, в видеокамерах, цифровых фотоаппаратах, бортовых регистрирующих устройствах (черных ящиках).
В качестве внешних запоминающих устройств ЭВМ в настоящее время широко используются накопители на жестких магнитных дисках (винчестеры), запоминающие устройства на оптических дисках. (Л.Н.Шувалов «Конструирование периферийных устройств ЭВМ, динамика механизмов и ВЗУ», Учебное пособие, Казань 1999; Артемьев Б.В. «Периферийные запоминающие устройства ЭВМ, Учебное пособие. М: изд. МГУ 2007)
Накопители, использующие носители на жесткой осесимметричной основе /жесткие магнитные диски, пакеты магнитных дисков, оптические диски/ обеспечивают следующие важные свойства внешних запоминающих устройств: произвольный доступ к данным, малое время выборки, сравнительно высокую скорость передачи данных.
Запоминающие устройства на оптических дисках обеспечивают сравнительно высокую объемную плотность информации, высокие продольные и поперечные плотности записи. Оптические носители
являются сменными носителями в отличие от современных жестких магнитных дисков, что определяется их большей устойчивостью к запыленности окружающего воздуха.
Однако существующие запоминающие устройства на оптических дисках (CD ROM, DVD, Blue ray) являются одноканальными устройствами, что, в частности, вызвано геометрией диска, поскольку при постоянной угловой скорости вращения диска линейные скорости дорожек разных радиусов различаются, что затрудняет параллельные запись-воспроизведение на дорожках разных радиусов, а также перемежение данных на дорожках разных радиусов.
За последние двадцать лет появились патенты (USP 5,592,462 Beldock 01.1997 Трехкоординатное оптическое ЗУ), в которых в качестве носителей записи предлагаются тонкостенные оболочки различной формы, коаксиально расположенные относительно общей геометрической оси и вращающиеся вокруг нее. Как правило, эти оболочки предлагаются к применению в оптических запоминающих устройствах и выполнены из материалов, прозрачных для лучей записывающего и воспроизводящего лазеров или имеют прозрачные окна. Запоминающие устройства, использующие такие носители, в соответствии с патентной формулой должны иметь средства для вращения носителей записи, в том числе независимого вращения каждой оболочки, и средства для позиционирования преобразователей записи-воспроизведения (оптических головок) по трем координатам. Однако в патентной формуле «USP 5,592,462 Beldock 01.1997 Трехкоординатное оптическое ЗУ» не детализированы средства, обеспечивающие перемещение оптического носителя и позиционирования оптических головок относительно дорожек записи, не предусмотрены многоканальные запись-воспроизведение, не предложена конкретная конструкция носителя на цилиндрах коаксиально расположенных относительно общей геометрической оси вращения и не предусмотрена сменность носителя.
Ведутся исследования, направленные на создание спинтронных запоминающих устройств, выполняющих функции внешних запоминающих устройств и потенциально имеющих более высокие параметры, чем существующие внешние запоминающие устройства. (Science 11 April 2008: Vol.320 no. 5873 pp.190-194 "Domain-Wall Racetrack Memory" Stuart S.P. Parkin, Masamitsu Hayashi, Luis Thomas). Однако исследователи ориентируют на получение завершающего результата через десять лет и вероятность положительного завершения исследований неясна.
Ведутся исследования, направленные на создание запоминающих устройств на оптических дисках с одновременными записью-воспроизведением информации на много слоев (IEEE Transactions On Magnetics vol.41 Nom.8 August 20005 "Channel Modeling and Target Design for two Dimensional Optical Storage Systems" Li Hang, George Mathew, Chong Chong). Таким образом, следующим за Blue ray запоминающим устройством на оптических дисках может стать многоканальное запоминающее устройство на оптических дисках с одновременной (параллельной) записью или воспроизведением информации на много запоминающих слоев, расположенных на одной основе и разнесенных по глубине. Однако это приведет к влиянию микродефектов в запоминающих слоях одновременно на несколько слоев и несколько каналов соответственно, понижению достоверности и усложнению процедуры перемежения (Interleaving) данных пользователя. Перемежение направлено на повышение эффективности кодов Рида Соломона и, таким образом, на повышение достоверности воспроизведения информации, например ISO/IEC JTC 1/SC 23 №966 "Optical Disk Cartriges For Information Interchange pp 93-97". Применение перемежающихся кодов Рида Соломона в запоминающих устройствах на оптических дисках вызвано большим количеством микродефектов в материале основы оптических дисков (поликарбонате). Наличие микродефекта ведет к появлению пакета ошибок, т.е. длинной непрерывной последовательности ошибок. Перемежение преобразует пакет
ошибок на носителе в одиночные ошибки, разбросанные по данным пользователя, что повышает эффективность кодов Рида-Соломона при локализации и корректировке ошибок. При параллельном воспроизведении со многих слоев микродефект предположительно будет действовать на несколько запоминающих слоев одновременно. В этом смысле перемежение желательно вести на разные дорожки или разные запоминающие поверхности.
В качестве прототипа предлагаемого запоминающего модуля со сменным носителем принято запоминающее устройство на сменных оптических дисках «Blue ray» с наиболее высокими на сегодняшний день параметрами. (Артемьев Б.В. «Периферийные запоминающие устройства ЭВМ, Учебное пособие. М: изд. МГУ 2007, стр.84). «Blue ray» содержит сменный оптический диск с четырьмя запоминающими слоями, каждый емкостью 25 гигабайт, с шагом между дорожками 320 нанометров, минимальной длиной пита 140 нанометров. Запись-воспроизведение можно вести одновременно на один (с одного) слоя. «Blue ray» содержит средства для вращения оптического диска, средства для позиционирования оптической головки и слежения за дорожкой. «Blue ray» является одноканальным устройством, что снижает скорость передачи информации по сравнению с многоканальным устройством, геометрия носителя информации (диска) снижает устойчивость к ударным и вибрационным механическим нагрузкам, перемежение данных в нем возможно лишь вдоль по дорожке записи.
Решаемой технической задачей предлагаемой полезной модели является увеличение информационной емкости, увеличение скорости передачи информации при записи-воспроизведении, повышение достоверности воспроизведения, более эффективное использование пространства носителя информации, повышение устойчивости к ударным и вибрационным механическим нагрузкам.
Поставленная решаемая техническая задача в запоминающем модуле со сменным носителем, содержащем сменный тонкостенный осесимметричный оптический носитель информации, средства для вращения носителя информации, средства для позиционирования оптических головок записи-воспроизведения информации, достигается тем, что сменный тонкостенный осесимметричный оптический носитель информации выполнен в виде единой детали из оптически прозрачного материала в форме тонкостенных круглых полых цилиндров разных диаметров, расположенных с одной стороны осесимметричного основания коаксиально относительно общей геометрической оси, диаметр наибольшего тонкостенного круглого полого цилиндра соответствует наибольшему размеру осесимметричного основания, диаметр наименьшего тонкостенного круглого полого цилиндра выполнен таким, что оставляет свободной внутреннюю часть основания для расположения конструктивных элементов, тонкостенные круглые полые цилиндры расположены на заданном радиальном расстоянии друг от друга, дальние от осесимметричного основания торцы всех тонкостенных круглых полых цилиндров разных диаметров открыты для доступа многоканальных оптических головок записи-воспроизведения, запоминающие информацию слои размещены на внешних и внутренних цилиндрических поверхностях тонкостенных круглых полых цилиндров в несколько слоев на каждой поверхности, длина образующей тонкостенных круглых полых цилиндров задана, средства для вращения носителя информации содержат статор и шпиндель, сменный носитель информации с помощью центрирующих элементов и замка установлен на шпиндель, в шпиндель жестко встроен ротор, шпиндель жестко соединен с валом вращения шпинделя, вал вращения шпинделя через подшипники соединен с корпусом статора, корпус статора с помощью направляющих стоек жестко соединен с корпусом запоминающего модуля со сменным носителем, средства для позиционирования оптических головок записи-воспроизведения
информации содержат шаговый двигатель, передачу винт-гайка, линейные магнитоэлектрические двигатели, на корпусе статора жестко установлен шаговый двигатель так, что вал шагового двигателя установлен соосно валу вращения шпинделя, на валу шагового двигателя установлен ходовой винт, имеющий длину резьбы в осевом направлении большую длины образующей тонкостенных круглых полых цилиндров сменного носителя информации, дальний от шагового двигателя конец ходового винта опирается на посадочное место в корпусе запоминающего модуля со сменным носителем, на ходовом винте установлена гайка, на гайке жестко установлена каретка, на каретке установлены конструктивные элементы, обеспечивающие перемещение каретки относительно направляющих стоек в осевом направлении, на каретке на радиальных расстояниях, соответствующих зазору между соседними тонкостенными круглыми полыми цилиндрами на одной диаметральной прямой жестко установлены линейные магнитоэлектрические двигатели по одному на каждый тонкостенный круглый полый цилиндр, подвижные части линейных магнитоэлектрических двигателей жестко связаны с рычагами, на рычагах установлены многоканальные оптические головки записи-воспроизведения по одной на каждый тонкостенный круглый полый цилиндр, каретка в сборе с линейными магнитоэлектрическими двигателями, рычагами, многоканальными оптическими головками записи-воспроизведения статически и динамически сбалансирована.
На фиг.1 изображен запоминающий модуль со сменным носителем. На фиг.2 изображено возможное угловое расположение направляющих стоек.
Запоминающий модуль со сменным носителем (фиг.1) содержит сменный носитель информации 1, который с помощью замка 2 и центрирующих элементов 3, 4 установлен на шпиндель 5, в шпиндель 5 жестко встроен ротор 6, шпиндель 5 жестко соединен с валом вращения
шпинделя 7, вал вращения шпинделя 7 через подшипники 8, 9 соединен с корпусом статора 10, корпус статора 10 с помощью направляющих стоек 11, 12, 13, 14 жестко соединен с корпусом запоминающего модуля со сменным носителем 15, на корпусе статора 10 жестко установлен шаговый двигатель 16 так, что вал шагового двигателя 16 установлен соосно валу вращения шпинделя 7, на валу шагового двигателя 16 установлен ходовой винт 17, имеющий длину резьбы в осевом направлении большую длины образующей тонкостенных круглых полых цилиндров сменного носителя информации 1, дальний от шагового двигателя 16 конец ходового винта 17 опирается на посадочное место в корпусе запоминающего модуля со сменным носителем 15, на ходовом винте 17 установлена гайка 18, на гайке 18 жестко установлена каретка 19, на каретке 19 установлены конструктивные элементы, обеспечивающие заданное перемещение каретки 19 относительно направляющих стоек 11, 12, 13, 14 в осевом направлении, на каретке 19 на радиальных расстояниях, соответствующих зазору между соседними тонкостенными круглыми полыми цилиндрами сменного носителя информации 1 на одной диаметральной прямой жестко установлены линейные магнитоэлектрические двигатели 20, 21 по одному на каждый тонкостенный круглый полый цилиндр, подвижные части 22, 23 линейных магнитоэлектрических двигателей 20, 21 жестко связаны с рычагами 24, 25, на рычагах 24, 25 установлены многоканальные оптические головки записи-воспроизведения 26. 27 по одной на каждый тонкостенный круглый полый цилиндр сменного носителя информации 1. Каретка 19 в сборе с линейными магнитоэлектрическими двигателями 20, 21, рычагами 24, 25, многоканальными оптическими головками записи-воспроизведения 26, 27 статически и динамически сбалансирована.
Работа запоминающего модуля со сменным носителем (фиг.1) в динамике происходит следующим образом. Сменный носитель информации 1 с помощью замка 2 и центрирующих элементов 3, 4
установлен на шпиндель 5. Шпиндель 5 приведен во вращение вместе со сменным носителем информации 1 при запитке обмоток в корпусе статора 10. Шаговый двигатель 16 совместно с винтовой передачей, состоящей из ходового винта 17 и гайки 18 позиционирует каретку 19 вместе с многоканальными оптическими головками записи-воспроизведения 26, 27 на заданном шаге в осевом направлении относительно сменного носителя информации 1. В таком положении каретка 19 фиксируется удерживающим моментом шагового двигателя 16 и тормозным моментом ходового винта 17 и гайки 18. Линейные магнитоэлектрические двигатели 20, 21 с помощью контуров автоматического слежения с обратной связью, опирающихся на сигналы одного из оптических каналов многоканальных оптических головок записи-воспроизведения 26, 27 обеспечивают слежение многоканальных оптических головок записи-воспроизведения 26, 27 за заданной информационной полосой (совокупностью дорожек, информация на которые записывается или воспроизводится одновременно) в пределах заданного шага. Слежение производится независимо для линейного магнитоэлектрического двигателя 20 и линейного магнитоэлектрического двигателя 21. Известно, что шаговый электропривод с передачей винт-гайка обеспечивает шаг, например, 250 мкм. Таким образом, линейный магнитоэлектрический двигатель 20 и линейный магнитоэлектрический двигатель 21 должны обеспечивать перемещение подвижных элементов 22, 23, примерно на 250 мкм. Такой ход обеспечивает, например, линейный магнитоэлектрический двигатель автофокусировки оптических головок записи-воспроизведения в запоминающих устройствах на оптических дисках.
Далее процессы записи-воспроизведения на оптический носитель ведутся традиционно. Однако рационально перемежаемые данные пользователя записывать на разные тонкостенные круглые полые цилиндры сменного носителя информации 1, чтобы уменьшить
негативное действие микродефектов. Таким образом, данные некоторого файла пользователя располагаются на разных тонкостенных полых круглых цилиндрах сменного носителя информации 1, не дублируя друг друга. Как вариант полное дублирование можно вести лишь для корректирующей части кодов Рида-Соломона. Такой подход, безусловно, повышает достоверность и более эффективно использует пространство носителя информации. Традиционно многоканальные внешние запоминающие устройства имеют дорожки (каналы) четности строки. Каналы четности могут располагаться также описанным выше образом, что также повышает достоверность и более эффективно использует пространство носителя информации. Запись - воспроизведение на разных тонкостенных круглых полых цилиндрах ведутся на разных фиксированных частотах для обеспечения оптимальной продольной плотности. Однако каналы воспроизведения унифицированы и обладают самосинхронизацией, что позволяет расположить данные пользователя в буферной памяти контроллера (устройства управления внешним запоминающим устройством) в требуемом порядке.
1
1
2
2
Сменный носитель информации 1 может быть изготовлен из поликарбоната с последующим нанесением запоминающих слоев. Внутренний объем сменного носителя информации 1 эффективно используется для размещения шпинделя 5 и корпуса статора 10. Для оценки информационной емкости сравним полезную площадь одного слоя диска «Blue ray» и одного слоя сменного носителя информации 1 в предлагаемой полезной модели «Запоминающий модуль со сменным носителем» Пусть r - наружный радиус оптического диска. r - внутренний радиус оптического диска, с которого начинается запоминающий слой (рабочая поверхность). Примем радиус внешнего тонкостенного круглого полого цилиндра сменного носителя информации 1 также равным г.Тогда полезная площадь одного слоя диска составляет S=π(r-r ). Полезная площадь одного слоя тонкостенного полого
1
1
1
1
2
круглого цилиндра S=2πrh, где h - длина направляющей тонкостенного круглого полого цилиндра. Найдем значение h, при котором S=S, h=r/2-r /2r. Например, для r=60 мм, a r=20 мм, h=23 мм. Другие тонкостенные круглые полые цилиндры сменного носителя информации 1 вносят дополнительную полезную площадь!
Длина резьбы в осевом направлении ходового винта 17 превышает длину направляющей тонкостенных круглых полых цилиндров носителя информации 1 на длину гайки 18.
Многоканальная оптическая головка записи-воспроизведения потенциально позволяет повысить скорость передачи данных, обеспечивая достаточную достоверность за счет записи перемежаемых данных на разные тонкостенные круглые полые цилиндры.
Сменный носитель информации 1 имеет больший момент сопротивления сечения в радиальном и осевом направлениях, что повышает его устойчивость к ударным и вибрационным механическим нагрузкам по сравнению с оптическим диском.