주파수 변조 부호화

Frequency modulation encoding
이 문서는 초기 자기 디스크 드라이브에서 사용된 시스템에 대한 것입니다.라디오 방송 기술에 대해서는 주파수 변조를 참조하십시오.
Atari 810은 1980년대 초반 가정용 컴퓨터 시대의 전형적인 FM 기반 플로피 드라이브였습니다.

주파수 변조 부호화(단순히 FM)는 초기 플로피 디스크 드라이브 및 하드 디스크 드라이브에서 널리 사용되었던 데이터를 저장하는 방법입니다.데이터는 기록 시 차등 맨체스터 인코딩을 사용하여 수정되어 클럭 복구가 디스크 미디어에서 나타나는 "지터"로 알려진 타이밍 효과를 처리할 수 있습니다.IBM 메인프레임 드라이브에 도입되었으며 초기 미니컴퓨터와 마이크로컴퓨터 플로피에서 거의 보편적으로 사용되었습니다.플로피의 경우 FM 부호화에 의해 약 80kB의 데이터가 저장될 수 있습니다.5+1인치 4인치 디스크

IBM은 1970년부터 보다 효율적인 수정 주파수 변조(MFM)를 도입하기 시작했습니다.그들은 이 형식을 "이중 밀도"라고 불렀고, 원래 FM은 소급해서 "단일 밀도"가 되었습니다.MFM은 구현하기가 더 어려웠고 1980년대 초가 되어서야 WD1770과 같은 저렴한 일체형 MFM 플로피 드라이브 컨트롤러가 등장했습니다.이것은 1980년대 중반까지 MFM을 선호하는 FM 인코딩의 급속한 종말을 가져왔다.

기본 스토리지 메커니즘

현대 컴퓨터의 메인 메모리 시스템은 두 가지 다른 전기 신호(일반적으로 전압)를 사용하여 이진 정보를 저장합니다.예를 들어 DRAM에서는 특정 임계값을 초과하는 전압이 2진수를 나타내며 이 값을 밑도는 전압은 0을 나타냅니다.ASCII의 문자 "A"는 2진수로 01000001로 나타나며,[1] 메모리를 구성하는 개별 캐패시터 내의 0 및 5V 전압 시리즈로 Mostek MK4116과 같은 일반적인 1970년대 후반의 DRAM에 저장될 수 있습니다.

이와는 대조적으로 플로피 디스크와 같은 자기 기록 시스템은 이 데이터를 자기 극성의 변화로 기록합니다.이는 자기 유도를 사용하여 데이터를 읽고 쓰는 방식 때문입니다.판독 중에 디스크는 회전하여 표면이 작은 전자석인 읽기/쓰기 헤드를 빠르게 통과합니다.디스크의 자기 전하의 극성이 변화하면 헤드에서 짧은 전기 펄스가 유도되며, 이 펄스가 1로 읽힙니다. 극성이 변화하지 않는 부분은 0이 [2]됩니다.같은 문자 A를 인코딩하려면 이전 데이터가 0으로 끝난다고 가정하면 디스크는 0111110을 사용합니다.첫 번째 제로 투 원 천이에서는1이 출력되고 그 뒤에 이어지는 스트림이 출력되지 않으며 마지막으로 마지막 1에서0으로 이행하면 최종 [3]1이 생성됩니다.

데이터는 내부 포맷으로 즉시 변환해야 하는 패턴으로 저장될 뿐만 아니라 아날로그 시스템인 노이즈, 기계적 효과 및 기타 문제에 직면합니다.특히 디스크는 회전 중에 미디어의 속도가 빨라지고 느려짐에 따라 속도의 변화로 인해 지터라고 불리는 효과를 겪습니다.피할 수 없는 지터의 한 가지 형태는 자기 매체의 히스테리시스에 의한 것입니다.이는 비트 시프트라고 불리는 효과를 초래하여 이행 스트링이 시간 내에 늘어납니다.따라서 특정 천이가 어느 [3]비트에 속하는지 알기 어렵습니다.

이 문제를 해결하기 위해 디스크는 디스크에 기록된 추가 신호를 사용하여 어떤 형태의 클럭 복구를 사용합니다.데이터를 읽으면 클럭 신호가 분리되고 데이터 비트가 신호에서 명확하게 보여 메모리 [3]내의 적절한 비트와 깔끔하게 정렬됩니다.

부호화

FM 부호화는 모든 데이터가 적어도1개의 천이를 포함하도록 원래의 데이터를 부호화하는 단순한 시스템을 사용하여 클럭 복구를 성공시키기 위해 주어진 기간 동안 충분한 천이를 확보합니다.이를 위해 기록 매체의 최대 주파수보다 두 배나 많은 기본 데이터 주기를 사용하여 작동합니다.이를 "클럭 창"이라고 하며, 창당 최대 1개의 클럭 전환과 1개의 데이터 전환이 있습니다.각 데이터 비트는 최소 두 번의 시간이 필요하므로 FM 인코딩은 해당 [3]미디어에서 이론적으로 가능한 양의 약 절반을 저장합니다.

FM은 많은 다른 필드에서 사용되는 부호화인 차등 맨체스터 부호화의 구현을 사용합니다.원본 데이터 중 0은 기간 중 단일 천이로 부호화되고, 1은 2개의 천이로 부호화된다.예를 들어 원래 시스템으로부터의 데이터 바이트에 비트 01000001이 포함되어 있는 경우 플로피 디스크 컨트롤러는 이를 시리즈 10111010101011로 변환하여 각 비트 앞에 추가 신호를 삽입하여 클럭을 나타냅니다.그런 다음 이 신호가 읽기/쓰기 헤드로 전송되면 펄스가 발생할 때마다 극성이 플립됩니다.이 예에서는 마지막 데이터 쓰기 종료 시 헤드가 원래 로우 상태일 경우 선두 1은 하이 상태로 전환하고 다음 0은 그대로 둡니다.그 결과 해당 창에서 단일 전환이 이루어집니다.다음 비트는 먼저 상태를 로우로 되돌린 후 하이로 되돌립니다.[3]창에서 두 번의 전환이 이루어집니다.

이러한 전환을 인코딩하려면 시스템이 호스트 컴퓨터로부터 디지털 데이터를 수신한 다음 기본 FM 형식으로 다시 코드화해야 합니다.판독 시 시스템은 클럭 신호를 다시 분리하고 데이터 비트만 남겨야 합니다.FM 시스템은 매우 단순하기 때문에 1970년대 후반의 반도체 제조 기술을 사용하여 싱글 칩 형태로 구현될 수 있었다.이를 통해 클럭, 컨트롤러 칩, 호스트 인터페이스 칩 및 일부 버퍼 메모리로 구성된 전체 드라이브 컨트롤러 구현 비용이 크게 절감되었습니다.특히 Western Digital FD1771과 그 [4]변형품이 인기가 있었다.

데이터 인코딩과 포맷

위의 내용은 디스크에 바이트를 쓰는 것을 의미하지만 이는 단순화된 것입니다.대부분의 디스크에서 데이터의 유일한 단위는 섹터이며 섹터 내의 개별 바이트는 컨트롤러에 아무런 의미가 없습니다.데이터가 기록될 때 컨트롤러는 일반적으로 버퍼에 있는 전체 섹터의 데이터를 전달받고 일련의 비트로 단일 원자 연산으로 쓰도록 지시됩니다.컨트롤러는 FM 정보만으로 비트를 바이트와 정렬할 수 없습니다.따라서 판독 시 정렬해야 하는 것은 데이터 내의 비트뿐 아니라 섹터 데이터 [3]전체의 시작점입니다.

이것은 인코딩 방식을 사용하는 것이 아니라 디스크 포맷을 사용하여 수행됩니다.컨트롤러는 데이터 섹터를 쓸 때 나중에 찾을 수 있도록 후속 데이터에 대한 정보와 섹터의 주소를 포함하는 헤더 섹션을 추가합니다.쓰기 프로세스 중에 컨트롤러는 헤더와 데이터 앞에 일련의 특수 "동기 바이트"를 씁니다.IBM 형식에서는 13개의 0과 3개의 16진수로 구성됩니다. A1는 헤더 영역과 데이터 영역 앞에 있습니다.이것들은 FM 부호화가 되어 있지 않기 때문에 컨트롤러는 그것들을 즉시 식별할 수 있습니다.컨트롤러는 이러한 신호를 잠그고 데이터의 시작을 찾습니다. 데이터 시작은 마지막 동기 바이트에 바로 이어집니다.그 후 버퍼 [3]내의 후속 바이트로 각 8비트를 읽어냅니다.

MFM으로 대체

주요 기사: 주파수 변조 수정

각 데이터 비트는 FM 시스템에서 두 번의 전환 기간이 필요하므로 디스크 저장 용량의 절반만 사용합니다.이것에 의해, 이 자원을 보다 효율적으로 사용하는 일련의 고도의 부호화가 가능하게 됩니다.가장 널리 사용된 대체품은 수정 주파수 변조(MFM)였습니다.이 시스템은 모든 창에서 단 하나의 비트만 기록하여 기본 클럭 신호를 생성했습니다.비트 값 1 또는 0은 창 내의 펄스 위치에 따라 인코딩되었습니다.1은 창 중앙에 펄스로 부호화되었고 0은 [3]끝에 펄스로 부호화되었습니다.

이 방법에서는 클럭 신호를 회복하기 위한 보다 복잡한 솔루션이 필요합니다.일반적으로 이것은 노이즈 입력으로부터 안정된 출력 클럭 신호를 생성하는 위상 잠금 루프 또는 유사한 시스템의 형태를 취했습니다.이것은 1970년대 후반의 저가 IC로는 감당할 수 없는 것이었고, 이것이 FM이 1980년대 초반의 초기 가정용 컴퓨터 시대에 인기를 유지한 이유이다.MFM IC는 IBM PC와 같은 더 비싼 플랫폼에서 사용 가능했지만, 이를 사용하려면 외부 하드웨어인 "데이터 분리기"에 의해 클럭 복구를 수행해야 했습니다.IC 제조는 이 기간 동안 빠르게 발전하였고 1980년대 중반에는 일체형 MFM 컨트롤러가 등장하여 시장은 빠르게 2배 밀도 [3]포맷으로 이동하였다.

레퍼런스

인용문

  1. ^ St. Michael, Stephen (1 August 2019). "Introduction to DRAM". All About Circuits.
  2. ^ 러츠, 멜로니 & 웨이크먼 1995, 페이지 1
  3. ^ a b c d e f g h i 러츠, 멜로니 & 웨이크먼 1995, 페이지 2
  4. ^ Michalopoulos, Demetrios A (October 1976). "New Products: Single-chip floppy disk formatter/controller". Computer. IEEE. 9 (10): 64. doi:10.1109/C-M.1976.218414.

참고 문헌