Hầu hết các dữ liệu máy tính cố định hay bán cố định được lưu trữ dạng từ tính, nghĩa là một dòng các bit dữ liệu máy tính nhị phân (0s và 1s) được lưu trữ bởi các miếng kim loại từ nhỏ xíu đặt trên bề mặt của đĩa hay băng trong mẫu tương ứng với dữ liệu đó. Sau đó, các mẫu từ này được đọc và chuyển trở lại thành dòng bit chính xác mà bạn đã bắt đầu. Đó là nguyên tắc của lưu trữ từ và là chủ đề của chương này.

Trước khi có lưu trữ từ, đĩa lưu trữ chính là các phiếu đục lỗ ( các phiếu bằng giấy với các lỗ được đóng trên đó chỉ ra các ký tự hay dữ liệu nhị phân), được tạo ra đầu tiên bởi Herman Hollerith cho việc điều tra dân số năm 1890.

Lịch sử của các dữ liệu lưu trữ từ bắt đầu từ thắng 6 năm 1949, khi một nhóm các kỹ sư IBM và các nhà khoa học bắt đầu làm việc với một thiết bị lưu trữ mới. thiết bị đó là thiết bị lưu trữ từ đầu tiên cho máy tính, đó là cuộc cách mạng hóa nên công nghiệp. Vào 21 tháng 5 năm 1952, IBM công bố IBM 726 Tape Unit vớ máy tính phòng vệ IBM710, đánh dấu sự chuyển tiếp từ các máy đục lỗ phiếu sang các máy tính điện tử.

Bốn năm sau, vào 13 tháng 9 năm 1956, một nhóm nhỏ các kỹ sư IBM ở San Jose California, giới thiệu hệ thống lưu trữ ổ đĩa máy tính đầu tiên như là một phần của máy tính 305 RAMAC (Radom Access Method of Accounting and Control).

Ổ đĩa 305 RAMAC có thể lưu trữ 5 triệu ký tự (chính xác, chỉ có 5MB!)của dữ liệu trên 50 đĩa, mỗi đĩa có đường kính lớn khác thường là 24inche. Các bit đơn thì được chứa tại mật độ chỉ 2Kbit/sq.inch. Không giống như các ổ đĩa băng từ, các đầu đọc của RAMAC có thể trực tiếp đến bất kỳ vị trí nào trên bề mặt đĩa mà không cần đọc tất cả thông tin ở giữa.Khả năng truy cập ngẫu nhiên có một ảnh hưởng sâu sắc trong quá trình vận hành máy tại thời điểm đó, cho phép dữ liệu được lưu trữ và khôi phục lại nhanh chóng hơn rất nhiều so với khi máy vận hành bằng băng từ.

Từ những mức đầu tiên này, chỉ hơn 50 năm ngành công nghiệp lưu trữ từ đã tiến bộ đến nay có thể lưu 2TB (2,000GB) hoặc nhiều hơn trên các ổ đĩa 3 ½ nhỏ vừa một khe ổ đĩa của máy tính đơn.

Các thiết bị lưu trữ từ đọc và ghi dữ liệu bằng cách sử dụng hiện tượng điện từ. Các nguyên tác vật lý cơ bản cho biết đến khi dòng điện từ chạy xuyên suốt một chất dẫn điện (dây), một trường điện từ được tạo ra xung quanh dây dẫn (xem hình 8.1). Lưu ý rằng các electron thực tế chạy từ điện cực âm sang dương như đã thể hiện trong hình, mặc dù chúng ta thường nghĩ dòng điện chạy theo hướng khác.

Hiện tượng điện từ được phát hiện vào năm 1819 bởi nhà vậy lý người Đan Mạch Han Christian Oersted, khi ông phát hiện một kim la bàn đang chỉ hướng Bắc có thể bị lệch hướng khi mang nó lại gần một dây đang dẫn dòng điện. Khi dòng điện tắt, kim la bàn chỉnh trở lại theo từ trường của trái đất, chỉ về hướng bắc.

Từ trường được tạo ra bởi một dây dẫn có thể phát huy ảnh hưởng đối với vật chất có khả năng từ hóa trong phạm vi trường. Khi hướng của dòng điện hay phân cực đảo ngược, phân cực từ trường cũng bị đảo ngược. Ví dụ một động cơ điện dùng hiện tượng điện từ cho các lực đẩy và kéo đối với những nam châm gắn trên trục quay.

Một tác dụng khác của hiện tượng điện từ được khám phá bởi Michale Faraday vào năm 1831. Ông thấy rằng nếu một dây dẫn đi qua một từ trường chuyển động, một dòng điện từ được tạo ra. Khi phân cực của từ trường thay đổi, thì hướng của dòng điện của thay đổi (xem hình 8.2).

Ví dụ, một máy phát điện, loại dùng trong xe ô tô, hoạt động bằng cách quay các nam châm điện trên một trục qua cuộn dây dẫn cố định sẽ tạo ra một lượng lớn dòng điện trong những dây dẫn này. Bởi vì các hiện tượng điện từ hoạt động theo hai chiều, một động cơ có thể trở thành một máy phát điện và ngược lại. Khi áp dụng cho các thiết bị lưu trữ từ tính, hoạt động hai chiều của hiện tượng điện từ này làm cho nó có thể ghi dữ liệu trên đĩa và đọc dữ liệu đó trở lại sau này. Khi ghi, đầu thay đổi các xung điện thành các từ trường và khi đọc, đầu thay đổi các từ trường thành các xung điện.

Những đầu đọc và ghi trong một thiết bị lưu trữ từ tính là các miếng hình chữ U của các vật liệu dẫn điện, với các đầu của U nằm trực tiếp ở trên (hoặc bên cạnh) bề mặt của các đĩa lưu trữ dữ liệu thực sự. Các đầu của hình chữ U này được gói với các cuộn hoặc các cuộn quấy dây dẫn điện, qua đó một dòng điện có thể luân chuyển (xem hình 8.3). Khi thiết kế logic ổ đĩa chuyển một dòng điện qua các cuộn dây này, nó tạo ra một từ trường trê đầu đọc ổ đĩa. Đảo ngược phân cực của dòng điện cũng là nguyên nhân phân cực của trường được tạo ra để thay đổi. Về bản chất, các đầu từ là các nam châm điện mà điện thế của chúng được chuyển đổi phân cực rất nhanh chóng.

Đĩa hoặc băng là các đĩa lưu trữ bao gồm một số hình thức nền vật chất (chẳng hạn như Mylar cho đĩa mềm, hoặc nhôm hoặc thủy tinh cho đĩa cứng) mà trên đó phủ một lớp vật liệu có từ tính. Vật liệu này thường là một hình thức của oxit sắt với nhiều thành phần khác được thêm vào. Mỗi phân từ từ tính trên đĩa lưu trữ có từ trường riêng. Khi đĩa trống, các phân cực của những từ trường này thường trong trạng thái xáo trộn ngẫu nhiên. Bởi vì từ các trường của các phân tử đơn này chỉ theo các hướng ngẫu nhiên, mỗi từ trường nhỏ bị khử bởi từ trường đang chỉ theo hướng đối diện, hiệu ứng tích lũy của việc này là một bề mặt không phân cực trường có thể nhận thấy. Với nhiều trước có định hướng ngẫu nhiên, hiệu ứng thực là không có từ trường hay phân cực được thống nhất có thể nhận thấy.

Khi đầu đọc/ghi của một ổ đĩa tạo ra một từ trường (như khi ghi đĩa), trường này chiếm khoảng cách giữa hai đầu của hình dạng U. Bởi vì một từ trường truyền qua dây dẫn dễ dàng hơn truyền qau không khí, trường nay uốn cong ra phía ngoài từ khoảng cách ở đầu và thực tế sử dụng đĩa lưu trữ kề bên như đường dẫn nhất đối với phần bên kia của khoảng cách. Khi từ trường này đi qua đĩa trực tiếp ngay phía dưới khoảng cách đó, nó phân cực các hạt phân tử mà nó đi qua nên chúng sắp hàng theo trường từ này. Chiều hay phân cực của từ trường này – do đó, phân cực hay chiều của từ trường làm ảnh hưởng đĩa từ - được dựa trên hướng của dòng điện qua các cuộn dây. Một sự thay đổi trong hướng dòng điện tạo ra một sựu thay đổi hướng của từ trường. Trong suốt quá trình phát triển của lưu trữ từ tính, khoảng cách giữa các đầu đọc/ghi và đĩa đã giảm đáng kể. Điều này cho phép thu nhỏ khoảng cách và cũng làm cho kích cỡ của miền từ tính ghi nhỏ hơns. Các miền từ tính ghi càng nhỏ, mật độ dữ liệu được lưu trữ trên ổ đĩa càng cao.

Khi từ trường đi qua đĩa, các hạt phân tử trong vùng phía dưới khoảng đầu được sắp xếp theo hướng giống như từ trường tỏa ra từ khoảng này. Khi các miền từ tính riêng biệt cửa các phân tử nằm trong sự sắp xếp này, nó không còn khử lẫn nhau, một từ trường có thể thấy được tồn tại trong vùng đó của đĩa. Từ trường nội bộ này được phát sinh bởi nhiều phân tử từ mà bây giờ đang hoạt động như một đội để tạo ra một từ trường lũy tích có khả năng dò tìm với hướng thống nhất.

Thuật ngữ thông lượng (flux) mô tả từ trường có một hướn hoặc phân cực cụ thể. Khi bề mặt của đĩa di chuyển bên dưới đầu từ ổ đĩa, đầu từ đó có thể tạo ra cái gọi là một thông lượng từ (magnetic flux) của một phân cực nhất định trong một khu vực cụ thể của đĩa. Khi dòng điện xuyên qua cuộn dây trong đầu bị đảo ngược, như thế là phân cực từ trường hoặc thông lượng từ trường trong khoảng cách đầu. Sự đảo ngược thông lượng này trong đầu từ là nguyên nhân sự phân cực của các hạt phân tử bị từ hóa trên đĩa ổ đĩa đảo ngược.

Sự đảo ngược thông dụng (hoặc quá trình chuyển tiếp thông lượng ) là một thay đổi trong phân cực của các phân tử từ được xếp hàng trên bề mặt đĩa lưu trữ. Một đầu ổ đĩa tạo ra các đảo ngược thông lượng trên đĩa để ghi dữ liệu. Đối với mỗi bit dữ liệu (hoặc các bit) mà một ổ đãi ghi, nó tạo ra một mô hình của các đảo ngược thông lượng từ dương sang âm hay từ âm sang dương trong đĩa tại các khu vực cụ thể được gọi là các ô bit (bit cell) hoặc các ô chuyển tiếp (transition cell). Một ô bit hoặc ô chuyển tiếp là một khu vực cụ thể của đĩa được điều khiển bởi thời gian và tốc độ đĩa trong đó đầu từ ổ đĩa hay tạo ra các đảo ngược thông lượng. Mô hình cụ thể của các đảo ngược thông lượng bên trong các ô chuyển tiếp được sử dụng để lưu trữ một bit dữ liệu cho trước (hoặc các bit) được gọi là phương pháp mã hóa (encoding method). Thiết kế logic ổ đĩa hay bộ điều khiển ổ đĩa lấy dữ liệu được lưu trữu và mã hóa nó như là một loạt các đảo ngược thông lượng trong một khoảng thời gian, tùy thuộc vào mô hình được lệnh bởi phương pháp mã hóa mà nó sử dụng.

Hai phương pháp mã hóa phổ biến nhất cho đĩa mang từ tính là MFM (Modified Frequency Modulation) và RLL (Run Length Limited). Tất cả các ổ đĩa mềm và một số ổ đĩa cứng cũ hơn sử dụng lược đồ MFM. Các ổ đĩa cứng ngày nay sử dụng một vài biến thể của phương pháp mã hóa RLL.

Trong quy trình ghi, điện áp tác động vào đầu từ . Khi phân cực của điện áp này thay đổi, sự phân cực của từ trường đang được ghi cũng thay đổi. Các chuyển tiếp thông lượng được ghi chính xác tại các điểm nơi phân cực ghi thay đổi. Các chuyển tiếp thông lượng được ghi chính xác tại các điểm nơi phân cực ghi thay đổi. Có vẻ lạ kỳ, trong suốt quy trình đọc, một đầu từ không thể tạo ra chính xác tính hiệu tương tự đã được ghi. Thay vào đó, đầu từ tạo ra một xung hay xung nhọn điện thế chỉ khi nó đi qua một chuyển tiếp thông lượng. Khi quá trình chuyển đổi thay đổi từ dương sang âm, xung mà đầu từ phát hiện là điện thế âm. Khí quá trình chuyển thay đổi từ âm sang dương, xung này là xung nhọn điện thế dương. Hiệu ứng này xảy ra do dòng điện được tạo ra trong dây dẫn chỉ khi đi qua các dòng lực từ tại một góc. Bởi vì đầu từ chuyển động song song với các từ trường nó tạo ra trên đĩa, thời điểm duy nhất mà đầu từ tạo ra điện áp khi đọc và khi đi qua một phân cực hoặc chuyển tiếp thông lượng (thông lượng đảo ngược).

Về bản chất, trong khi đọc từ đĩa, đầu từ trở thành một máy dò chuyển đổi thông lượng phát ra các xung điện thế bất cứ khi nào nó đi qua một chuyển đổi. Các khu vực không có quá trình chuyển đổi không tạo ra xung. Hình 8.4 thể hiện mối quan hệ giữa các dạng sóng dọc và ghi, các quá trình chuyển đổi thông lượng trên một đĩa lưu trữ.

Bạn có thể nghĩ về những kiểu ghi tồn tại như một dạng sóng vuông góc ở cấp điện áp dương hay âm. Khi điện áp là dương, một từ trường được tạo ra ở đầu từ, phân cực các đĩa từ theo một hướng. Khi điện áp thay đổi sang âm, từ trường tác động đĩa cũng thay đổi hướng.

Nơi các dạng sóng thực sự chuyển đổi từ điện thế dương sang điện thế âm hoặc ngược lại, các thông lượng từ trên đĩa cũng thay đổi cực. Trong quá trình đọc, đầu từ cảm nhận các chuyển đổi thông lượng này và tạo ra một dạng sóng âm hoặc dương dao động, hơn là các dạng sóng dương hoặc âm liên tục được sử dụng trong quá trình ghi cơ bản. Nói cách khác, tín hiệu khi đọc là 0 volt nếu đầu từ không phát hiện một chuyển đổi thông lượng từ tính, trong trường hợp này nó tạo ra một xung dương hoặc âm phù hợp. Các xung chỉ xuất hiện khi đầu từ đang qua các chuyển đổi thông lượng trên đĩa. Do biết định thời gian đồng hồ mà ổ đĩa sử dụng, mạch bộ điều khiển có thể xác định liệu một xung (và do đó là một chuyển đổi thông lượng) có rơi vào khoảng thời gian ô chuyển đổi định sẵn.

Các dòng xung điện được tạo ra trong đầu từ khi đang qua đĩa lưu trữ trong chế độ đọc là rất nhiếu và có thể gây tiếng ồn đáng kể. Các điện tử nhạy trong bộ lắp ráp ổ đĩa và bộ điều khiển khuếch đại tín hiệu trên mức độ tiếng ồn và giải mã chuỗi dòng xung yếu thành dữ liệu nhị phân đó là (về mặt lý thuyết) giống hệ như với dữ liệu được ghi nhận ban đầu.

Như bạn thấy, các ổ đĩa cứng và các thiết bị lưu trữ khác đọc và ghi dữ liệu bằng các nguyên tắc điện từ cơ bản. Một ổ đĩa ghi dữ liệu bàng cách chuyển các dòng điện qua một nam châm điện (đầu từ ổ đĩa), tạo ra một từ trường được chứa trên đĩa. Các ổ đĩa đọc dữ liệu bằng cách chuyển đầu từ trở lại trên bề mặt đĩa. Khi đầu từ gặp phải những thay đổi trong từ trường lưu trữ, nó tạo ra một dòng điện yếu cho biết sự hiện diện hoặc vắng mặt của các chuyển đổi trong tín hiệu như nó được ghi ban đầu.