Ограниченная длина тиража - Википедия - Run-length limited

Длина тиража ограничена или же RLL кодирование - это линейное кодирование метод, который используется для отправки произвольных данных через канал связи с пропускная способность пределы. Коды RLL определяются четырьмя основными параметрами: м, п, d, k. Первые два, м/п, относятся к скорости кода, а оставшиеся два указывают минимальную d и максимальная k количество нулей между последовательными единицами. Это используется как в телекоммуникации и системы хранения, которые перемещают носитель за пределы фиксированного записывающая головка.

В частности, RLL ограничивает длину участков (серий) повторяющихся битов, в течение которых сигнал не изменяется. Если пробежки слишком длинные, восстановление часов трудно; если они слишком короткие, высокие частоты могут быть ослаблены каналом связи. К модулирующий в данные, RLL снижает временную неопределенность в расшифровка сохраненные данные, что могло бы привести к возможной ошибочной вставке или удалению битов при обратном чтении данных. Этот механизм гарантирует, что границы между битами всегда могут быть точно найдены (предотвращение проскальзывание долота ), эффективно используя носитель для надежного хранения максимального количества данных в заданном пространстве.

Ранние дисководы использовали очень простые схемы кодирования, такие как код RLL (0,1) FM, за которым следует код RLL (1,3) MFM, которые широко использовались в жесткие диски до середины 1980-х годов и до сих пор используются в цифровых оптических дисках, таких как CD, DVD, MD, Привет-MD и Блю рей. Коды RLL (2,7) и RLL (1,7) высокой плотности стали де-факто отраслевым стандартом для жестких дисков к началу 1990-х годов.

Необходимость кодирования RLL

На привод жесткого диска, информация представлена ​​изменениями направления магнитного поля на диске, а на магнитных носителях вывод воспроизведения пропорционален плотности потока перехода. В компьютере информация представлена ​​напряжением на проводе. Никакое напряжение на проводе по отношению к определенному уровню земли не будет двоичным нулем, а положительное напряжение на проводе относительно земли представляет собой двоичное значение. Магнитная среда, с другой стороны, всегда несет магнитный поток - либо «северный» полюс, либо «южный» полюс. Чтобы преобразовать магнитные поля в двоичные данные, необходимо использовать некоторый метод кодирования для преобразования между ними.

Один из простейших практических кодов, модифицированный без возврата к нулю, инвертированный (NRZI ), просто кодирует 1 как переход магнитной полярности, также известный как «инверсия потока», и ноль как отсутствие перехода. Когда диск вращается с постоянной скоростью, каждому биту дается равный период времени, «окно данных» для магнитного сигнала, который представляет этот бит, и изменение направления потока, если оно есть, происходит в начале этого окна. (Примечание: старые жесткие диски использовали один фиксированный промежуток времени в качестве окна данных по всему диску, но современные диски более сложные; для получения дополнительной информации см. зонированная битовая запись.)

Этот метод не так прост, так как вывод воспроизведения пропорционален плотности единиц, длинный ряд нулей означает, что вывод воспроизведения отсутствует.

В простом примере рассмотрим двоичный шаблон 101 с окном данных в 1 нс (одна наносекунда, или одна миллиардная часть секунды). Это будет сохранено на диске как изменение, за которым последует отсутствие изменений, а затем еще одно изменение. Если предыдущая магнитная полярность уже была положительной, результирующий рисунок мог бы выглядеть следующим образом: −− +. Значение 255 или все двоичные единицы будет записано как - + - + - + - + или + - + - + - + -. Нулевой байт будет записан как ++++++++ или −−−−−−−−. 512-байтовый сектор нулей будет записан как 4096 последовательных битов с той же полярностью.

Поскольку дисковый накопитель представляет собой физическое оборудование, скорость вращения диска может незначительно измениться из-за изменения скорости двигателя или теплового расширения диска. Физический носитель на гибком диске также может деформироваться, вызывая большие ошибки синхронизации, а схема синхронизации на самом контроллере может иметь небольшие отклонения в скорости. Проблема в том, что с длинной строкой нулей у контроллера дисковода нет возможности узнать точное положение считывающей головки, и, следовательно, нет способа узнать, сколько именно нулей там. Изменение скорости даже на 0,1%, что является более точным, чем у любого практического дисковода гибких дисков, может привести к добавлению или удалению 4 бита из 4096-битного потока данных. Без какой-либо формы синхронизации и исправления ошибок данные станут полностью непригодными для использования.

Другая проблема связана с ограничениями самого магнитного носителя: можно записать только такое количество изменений полярности в определенном объеме пространства, поэтому существует верхний предел того, сколько из них также может быть записано последовательно, это зависит от линейного скорость и зазор головы.

Чтобы предотвратить эту проблему, данные кодируются таким образом, чтобы не происходило длинных повторений одного двоичного значения. За счет ограничения количества последовательно записываемых нулей это позволяет контроллеру привода оставаться синхронизированным. За счет ограничения количества единиц, записываемых в строку, общая частота смены полярности уменьшается, что позволяет накопителю хранить больше данных в том же объеме пространства, что приводит либо к меньшему пакету для того же объема данных, либо к большему хранилищу в такой же размер упаковки.

История

Все коды, используемые для записи на магнитные диски, имеют ограниченную длину пробегов без переходов и поэтому могут быть охарактеризованы как коды RLL. Самым ранним и простейшим вариантам были даны определенные имена, такие как модифицированная частотная модуляция (MFM), а название «RLL» обычно используется только для более сложных вариантов, которым не даны такие конкретные имена, но этот термин технически применяется ко всем.

Первым кодом "RLL", использованным в жестких дисках, был RLL (2,7), разработанный компанией IBM инженеры и впервые начали коммерческое использование в 1979 году на IBM 3370 DASD,^[1][2][3] для использования с серией 4300 мэйнфрейм. В конце 1980-х гг. ПК жесткие диски стали использовать собственно RLL (т.е. варианты более сложные, чем те, которые получили свои собственные имена, такие как MFM). Коды RLL нашли почти универсальное применение в практике записи оптических дисков с 1980 года. В бытовой электронике RLL, такие как Код EFM (ставка = 8/17, d = 2, k = 10) используются в Компакт-диск (CD) и MiniDisc (MD), а EFMPlus код (коэффициент = 8/16, d = 2, k = 10) используется в DVD. Параметры d и k - минимальная и максимальная допустимая длина пробега. Для получения дополнительной информации о технологиях хранения полезны ссылки, цитируемые в этой статье.^[4][5]

Технический обзор

В общем длина пробега - количество битов, для которых сигнал остается неизменным. Длина серии 3 для бита 1 представляет последовательность 111. Например, шаблон магнитной поляризации на диске может быть + −−−− ++ −−− ++++++, с последовательностями длиной 1, 4, 2, 3 и 6. Однако терминология кодирования с ограничением длины прогона предполагает кодирование NRZI, поэтому 1 бит указывает на изменения, а биты 0 указывают на отсутствие изменений, указанная выше последовательность будет выражена как 11000101001000001, и только серии нулевых битов подсчитываются.

Несколько сбивает с толку то, что длина серии - это количество нулей (0, 3, 1, 2 и 5 в предыдущем случае) между соседними, что на единицу меньше, чем количество битов, умноженное на то, когда сигнал фактически остается неизменным. Последовательности с ограничением длины серии характеризуются двумя параметрами: d и k, которые определяют минимальную и максимальную длину серии нулевых битов, которые могут встречаться в последовательности. Таким образом, коды RLL обычно указываются как (d,k) RLL, например: (1,3) RLL.

Кодирование

В закодированном формате бит «1» указывает на изменение потока, а «0» указывает, что магнитное поле на диске не изменяется в течение этого интервала времени.

FM: (0,1) RLL

Обычно термин «код RLL» используется для обозначения более сложных кодировок, но исходный код частотной модуляции, также называемый дифференциальное манчестерское кодирование, можно рассматривать как простой код RLL со скоростью 1/2. Добавленные 1 биты называются тактовыми битами.

Пример:

Данные: 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 Зашифровано: 1010111011111011101010111110 Часы: 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

GCR: (0,2) RLL

Увеличивая максимальную длину серии до 2 смежных 0 битов, скорость передачи данных может быть увеличена до 4/5. Это оригинальный IBM групповая кодированная запись вариант.

По возможности (11 из 16 кодов) битовая комбинация abcd кодируется с помощью префикса с дополнением а: аabcd. В 5 случаях, когда это нарушит одно из правил (000d или же ab00) заменяется код, начинающийся с 11 (11beа, куда е = а ∨ d).

Пример:

Данные: 0010 1101 0001 1000Закодировано: 10010011011101111010

Обратите внимание, что для соответствия определению (0,2) RLL недостаточно только того, чтобы каждый 5-битовый код содержал не более двух последовательных нулей, но также необходимо, чтобы любая пара 5-битных кодов, как объединенные последовательно, не содержать более двух последовательных нулей. То есть не должно быть более двух нулей между последним одним битом в первом коде и первым одним битом во втором коде для любых двух произвольно выбранных кодов. Это необходимо, потому что для любого кода RLL ограничения длины серий - 0 и 2 в данном случае - применяются к общему модулированному потоку битов, а не только к его компонентам, которые представляют дискретные последовательности простых битов данных. (Это правило должно выполняться для любой произвольной пары кодов без исключения, поскольку входные данные могут быть любой произвольной последовательностью битов.) Приведенный выше код IBM GCR соответствует этому условию, поскольку максимальная длина серии нулей в начале любых 5 -битовый код равен единице, и аналогично максимальная длина серии в конце любого кода равна единице, что составляет общую длину серии, равную двум, на стыке между соседними кодами. (Пример максимальной длины серии между кодами можно увидеть в приведенном выше примере, где код для данных «0010» заканчивается нулем, а код для следующих данных «1101» начинается с нуля, формируя серию из двух нулей на стыке этих двух 5-битных кодов.)

MFM: (1,3) RLL

Модифицированная частотная модуляция начинает становиться интересным, потому что его особые свойства позволяют записывать его биты на магнитный носитель с удвоенной плотностью, чем произвольный битовый поток. Существует предел того, насколько близкими могут быть переходы потока времени для считывающего оборудования для их обнаружения, и это ограничивает, насколько точно биты могут быть записаны на носитель: в худшем случае с произвольным потоком битов есть два последовательных потока, который производит два последовательных перехода потока во времени, поэтому биты должны быть расположены достаточно далеко друг от друга, чтобы между этими переходами потока было достаточно времени, чтобы читатель мог их обнаружить. Но этот код накладывает ограничение d = 1, т.е. между каждыми двумя единицами есть минимум один ноль. Это означает, что в худшем случае переходы потока разнесены на два бита, поэтому биты могут быть в два раза ближе друг к другу, чем с произвольным потоком битов, без превышения возможностей считывателя.

Эта удвоенная плотность записи компенсирует 1/2 скорости кодирования этого кода (для представления одного бита реальной информации требуется два бита) и делает его эквивалентным коду со скоростью 1.

Здесь «x» - это дополнение к предыдущему закодированному биту (который также является предыдущим битом данных). За исключением битов часов - этого бита «x» и «0» в коде «01» - это то же самое, что и таблица FM, и именно так этот код получил свое название. Вставленные тактовые биты равны 0, за исключением двух 0 битов данных.

Пример:

Данные: 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 Закодировано: x010010001010001001010010100 Часы: x 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0

(1,7) ЗНУ

(1,7) RLL отображает 2 бита данных на 3 бита на диске, и кодирование выполняется в 2- или 4-битных группах. Правила кодирования: (Икс, y) становится (НЕ Икс, Икс И y, НЕТ y), Кроме (Икс, 0, 0, y) становится (НЕ Икс, Икс И y, НЕТ y, 0, 0, 0).^[6]При кодировании в соответствии с таблицей ниже самый длинный (последнее в таблице) должно использоваться совпадение; это ситуации обработки исключений, когда применение более ранних правил может привести к нарушению ограничений кода.

Пример:

Данные: 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 Закодировано: 1010101001000000001

(2,7) ЗНУ

(2,7) RLL - скорость¹⁄₂ код, отображение п бит данных на 2п бит на диске, как MFM, но поскольку минимальная длина серии на 50% больше (3 разряда вместо 2), биты могут быть записаны быстрее, достигая на 50% более высокой эффективной плотности данных. Кодирование выполняется в 2-, 3- или 4-битных группах.

Western Digital WD5010A, WD5011A, WD50C12

Seagate ST11R, IBM

Perstor Systems ADRC

Закодированные формы начинаются не более чем с 4 и заканчиваются не более чем 3 нулевыми битами, что дает максимальную длину серии 7.

Пример:

Данные: 1 1 0 1 1 0 0 1 1 Закодировано: 1000 001000 00001000

Без постоянного тока (1,7) RLL

Существует также альтернативная (1,7) кодировка RLL, которая иногда используется, чтобы избежать Смещение постоянного тока (что помогает при отправке сигнала на большие расстояния или с некоторыми типами носителей записи).

Здесь «x» - это дополнение к предыдущему закодированному биту (т.е. 1, если предыдущий бит был 0, и 0, если предыдущий бит был 1).

Пример:

Данные: 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 Закодировано: 010101 000 000 010

ЧЧЧ (1,13)

Код HHH (1,13) - это код со скоростью 2/3, разработанный тремя исследователями IBM (Hirt, Hassner и Heise) для использования в 16 МБ / с. ИК-порт Физический уровень VFIR.^[7] В отличие от магнитного кодирования, это предназначено для инфракрасного передатчика, где бит 0 означает «выключено», а бит 1 означает «включено». Поскольку 1 бит потребляет больше энергии для передачи, это предназначено для ограничения плотности 1 бит до менее 50%. В частности, это код (1,13 | 5) RLL, где последние 5 указывают на дополнительное ограничение, заключающееся в том, что существует не более 5 последовательных пар из «10» битов.

Первые восемь строк описывают стандартный (1,7) -RLL код. Дополнительные шесть исключений увеличивают максимальное количество нулей до 13 (в юридической схеме 100 000 000 000 001, что представляет 10 11 10 11, за которым следует 01), но ограничивают максимальную среднюю плотность единиц до¹⁄₃. Самый длинный пробег из 1–0 пар - 000 101 010 101 000.

Этот код ограничивает плотность единиц между¹⁄₁₂ и¹⁄₃, в среднем 25,8%.

Примеры

Например, закодируем битовую последовательность 10110010 разными кодировками

Плотности

Предположим, магнитная лента может содержать до 3200 инверсий потока на дюйм. А модифицированная частотная модуляция, или (1,3) RLL-кодирование, хранит каждый бит данных как два бита на ленте, но поскольку между любыми битами 1 (инверсия потока) гарантированно будет один бит 0 (без обращения потока), то можно сохранить 6400 закодированных бит на дюйм на ленте или 3200 бит данных на дюйм. Кодирование (1,7) RLL также может хранить на ленте 6400 закодированных битов на дюйм, но поскольку для хранения 2 бит данных требуется всего 3 закодированных бита, это составляет 4267 бит данных на дюйм. При кодировании (2,7) RLL для хранения каждого бита данных требуется 2 закодированных бита, но поскольку между любыми 1 битами гарантированно будет два 0 бита, то на ленте можно хранить 9600 закодированных бит на дюйм, или 4800 бит данных на дюйм.

Плотность обращения потока на жестких дисках значительно выше, но такие же улучшения в плотности хранения наблюдаются при использовании различных систем кодирования.

Смотрите также

• Кодирование 8b / 10b
• Проскальзывание бит
• Модуляция от восьми до четырнадцати и EFMplus - это коды RLL без DC (2,10), используемые на CD и DVD соответственно.
• Коды исправления ошибок
• Код строки
• Модуляция
• Физический слой
• PRML
• Кодирование длин серий
• Самосинхронизирующийся код и битовая синхронизация
• Исходное кодирование

Рекомендации

Статья основана на материалах, взятых из Бесплатный онлайн-словарь по вычислительной технике до 1 ноября 2008 г. и зарегистрированы в соответствии с условиями «перелицензирования» GFDL, версия 1.3 или новее.

внешняя ссылка

• Цифровая запись на магнитную ленту