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 в персональных компьютерах, во внешних запоминающих устройствах ЭВМ средней, высокой и сверхвысокой производительности, в информационно-поисковых системах, 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. 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, сравнительно 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, Blu 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, или с параллельной записью-воспроизведением с близлежащих дорожек. 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 или с нескольких близлежащих дорожек микродефект предположительно будет действовать на несколько запоминающих слоев или несколько дорожек одновременно. В этом смысле перемежение желательно вести на разнесенные дорожки или разные запоминающие поверхности.
Предлагаемая полезная модель для перспективных внешних запоминающих устройств может оказаться более предпочтительной.
В качестве прототипа предлагаемого запоминающего модуля со сменным носителем выбран патент РФ №84152 на полезную модель (Бюл. №18 27.06.2009, Шувалов Л.Н., Дроздиков В.А.) В нем в качестве носителя информации предложен сменный тонкостенный осесимметричный оптический носитель информации, выполненный 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. Однако предложенные в прототипе линейные магнитоэлектрические двигатели достаточно сложны технологически, имеют значительную массу, что увеличивает время позиционирования. Кроме того, передача винт-гайка имеет малый коэффициент полезного действия и относительно сложна технологически.
Решаемой технической задачей предлагаемой полезной модели является упрощение конструкции, уменьшение времени позиционирования.
Поставленная решаемая техническая задача в запоминающем модуле со сменным носителем, содержащем сменный носитель информации, выполненный в виде единой детали из оптически прозрачного материала в форме тонкостенных полых круговых цилиндров разных диаметров, расположенных с одной стороны осесимметричного основания коаксиально относительно общей геометрической оси, средства для вращения сменного носителя информации, содержащие шпиндель, вал шпинделя, соединенный через подшипники с корпусом статора, средства для позиционирования многоканальных оптических головок записи-воспроизведения информации, достигается тем, что средства для позиционирования многоканальных оптических головок записи-воспроизведения информации, включают в себя панель-кронштейн, жестко установленную на корпусе статора, с которым соединен вал шпинделя со стороны торца вала шпинделя дальнем от сменного носителя информации, двигатель постоянного тока, установленный жестко на панели-кронштейне так, что ось вала двигателя постоянного тока параллельна оси вала шпинделя, торец вала двигателя постоянного тока направлен в удаление от сменного носителя информации, двигатель постоянного тока смещен в радиальном направлении так, что ось его вала расположена относительно оси вала шпинделя на расстоянии равном внешнему радиусу шкива, жестко и осесимметрично установленного на вале двигателя постоянного тока, так что торец шкива находится на расстоянии не менее трех миллиметров от внутренней стенки внешней крышки, внешний диаметр шкива больше, чем диаметр вала двигателя постоянного тока, но меньше, чем диаметр внутреннего тонкостенного полого кругового цилиндра сменного носителя информации, на корпусе двигателя постоянного тока жестко установлена тормозная электромагнитная муфта, тормозные элементы которой прижаты к валу двигателя, в канавках внешней цилиндрической поверхности шкива закреплены концы гибкого элемента, длина перемещения гибкого элемента при вращении шкива не менее чем на два мм превышает длину направляющих тонкостенных полых круговых цилиндров сменного носителя информации, на панели-кронштейне посредством кронштейнов и осей установлены направляющие ролики так, что плоскость симметрии направляющих роликов, перпендикулярная к осям направляющих роликов совпадает с плоскостью, касательной к внешней цилиндрической поверхности шкива и плоскостью, в которой лежит ось вала шпинделя, так, что все ветви гибкого элемента, огибающего направляющие ролики лежат в одной диаметральной плоскости, гибкий элемент натянут так, что огибает направляющие ролики, заданные ветви гибкого элемента жестко связаны с кареткой так, что обеспечивают двустороннее перемещение каретки в осевом направлении, каретка выполнена с опорами на направляющие прямолинейного движения, которые установлены на панели-кронштейне так, что оси направляющих прямолинейного движения параллельны оси вала шпинделя, на каретке жестко установлены линейные пьезоэлектрические двигатели на радиальных расстояниях, соответствующих радиусам тонкостенных полых круговых цилиндров сменного носителя информации, на линейных пьезоэлектрических двигателях жестко установлены планки-держатели рычагов многоканальных оптических головок с возможностью перемещения рычагов с многоканальными оптическими головками в осевом направлении сквозь пазы в корпусе статора над запоминающими поверхностями сменного носителя информации, на рычагах установлены многоканальные оптические головки записи-воспроизведения по одной на каждый тонкостенный полый круговой цилиндр сменного носителя информации, каретка в сборе с линейными пьезоэлектрическими двигателями, рычагами, многоканальными оптическими головками записи-воспроизведения статически и динамически сбалансирована.
На чертеже изображен запоминающий модуль со сменным носителем.
Запоминающий модуль со сменным носителем, изображенный на чертеже, 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 шпинделя 7, вал шпинделя 7 через подшипники 8, 9 соединен с корпусом статора 10, на корпусе статора 10 жестко установлена панель-кронштейн 11 со стороны торца вала шпинделя 7, дальнем от сменного носителя информации 1, на панели-кронштейне 11 жестко установлен двигатель постоянного тока 12 так, что ось вала двигателя постоянного тока 12 параллельна оси вала шпинделя 7, торец вала двигателя постоянного тока 12 направлен в удаление от сменного носителя информации 1, двигатель постоянного тока 12 смещен в радиальном направлении так, что ось его вала расположена относительно оси вала шпинделя 7 на расстоянии равном внешнему радиусу шкива 13, жестко и осесимметрично установленного на вале двигателя постоянного тока 12, так что торец шкива 13 находится на расстоянии не менее трех миллиметров от внутренней стенки внешней крышки 14, внешний диаметр шкива 13 больше, чем диаметр вала двигателя постоянного тока 12, но меньше, чем диаметр внутреннего тонкостенного полого кругового цилиндра сменного носителя информации 1, на корпусе двигателя постоянного тока 12 жестко установлена тормозная электромагнитная муфта 15, тормозные элементы которой прижаты к валу двигателя постоянного тока 12, в канавках внешней цилиндрической поверхности шкива 13 закреплены концы гибкого элемента 16, длина перемещения гибкого элемента 16 при вращении шкива 13 на два мм превышает длину направляющих тонкостенных полых круговых цилиндров сменного носителя информации 1, на панели-кронштейне 11 посредством кронштейнов и осей установлены направляющие ролики 17, 18, 19, 20, 21, 22 так, что плоскость симметрии направляющих роликов 17, 18, 19, 20, 21, 22, перпендикулярная к осям направляющих роликов 17, 18, 19, 20, 21, 22 совпадает с плоскостью, касательной к внешней цилиндрической поверхности шкива 13, и плоскостью, в которой лежит ось вала шпинделя 7, так, что все ветви гибкого элемента 16, огибающего направляющие ролики 17, 18, 19, 20, 21, 22 лежат в одной диаметральной плоскости, гибкий элемент 16 натянут так, что огибает направляющие ролики 17, 18, 19, 20, 21, 22, заданные ветви гибкого элемента 16 жестко связаны с кареткой 23 так, что обеспечивают двустороннее перемещение каретки 23 в осевом направлении, каретка 23 выполнена с опорами на направляющие прямолинейного движения 24, 25, которые установлены на панели-кронштейне 11 так, что оси направляющих прямолинейного движения 24, 25 параллельны оси вала шпинделя 7, на каретке 23 жестко установлены линейные пьезоэлектрические двигатели 26, 27 на радиальных расстояниях, соответствующих радиусам тонкостенных полых круговых цилиндров сменного носителя информации 1, на линейных пьезоэлектрических двигателях 26, 27 жестко установлены планки-держатели 28, 29 рычагов 30, 31 многоканальных оптических головок 32, 33 с возможностью перемещения рычагов 30, 31 с многоканальными оптическими головками 32, 33 в осевом направлении сквозь пазы в корпусе статора 10 над запоминающими поверхностями сменного носителя информации 1, на рычагах 30, 31 установлены многоканальные оптические головки записи-воспроизведения 32, 33 по одной на каждый тонкостенный полый круговой цилиндр сменного носителя информации: каретка 23 в сборе с линейными пьезоэлектрическими двигателями 26, 27, рычагами 30, 31, многоканальными оптическими головками записи воспроизведения 32, 33 статически и динамически сбалансирован. Требование, чтобы торец шкива 13 находился на расстоянии не мене трех миллиметров от внутренней стенки внешней крышки 14 нужно для свободного перемещения гибкого элемента 16 без касания внутренне стенки внешней крышки 14. Требование, чтобы длина перемещена гибкого элемента 16 при вращении шкива 13 не менее чем на два мм превышала длину направляющих тонкостенных полых круговых цилиндров сменного носителя информации 1 нужно для возможности позиционирования многоканальных оптических головок записи-воспроизведения 32, 33 в зону искомых дорожек.
Работа запоминающего модуля со сменным носителем информации, изображенного на чертеже, в динамике происходит следующим образом. Сменный носитель информации 1 с помощью замка 2 и центрирующих элементов 3, 4 устанавливается на шпиндель 5. Шпиндель 5 приводится во вращение вместе со сменным носителем информации 1 при запитке обмоток в корпусе статора 10, запитывается обмотка тормозной электромагнитной муфты 15, тормозной момент снимается с вала двигателя постоянного тока 12, на якорь двигателя постоянного тока 12 подается ток нужной величины и длительности для позиционирования каретки 23 в зону искомой дорожки. При вращении шкива 13 гибкий элемент 16 через систему направляющих роликов 17, 18, 19, 20, 21, 22 перемещает каретку 23 вместе с линейными пьезоэлектрическими двигателями 26, 27, рычагами 30, 31, многоканальными оптическими головками записи-воспроизведения 32, 33 в зону искомых дорожек. Обесточивается обмотка тормозной электромагнитной муфты 15 и подается тормозной момент на вал двигателя постоянного тока 12. Линейные пьезоэлектрические двигатели 26, 27 с помощью контуров автоматического слежения с обратной связью, опирающихся на сигналы одного из оптических каналов многоканальных оптических головок записи-воспроизведения 32, 33 обеспечивают позиционирование на заданную дорожку и слежение многоканальных оптических головок записи-воспроизведения 32, 33 за заданными дорожками в диапазоне, например 100 мкм, компенсируя растяжение гибкого элемента 16. Слежение производится независимо для линейного пьезоэлектрического двигателя 26 и линейного пьезоэлектрического двигателя 27.
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.
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.
По сравнению с прототипом предлагаемая полезная модель имеет более простую кинематическую схему, более простую конструкцию и меньший вес.