Run length limited

Na pevném disku jsou informace zaznamenány pomocí změn ve směru magnetického pole na disku. V počítači je informace reprezentována různým napětím ve vodiči: napětí blízké nule může znamenat binární nulu, kladné napětí v určitém rozsahu představuje binární jedničku. Naproti tomu u magnetických médií nese informaci magnetický tok – bud "severní“ pól nebo "jižní“ pól. Aby bylo možné převést magnetické pole na binární data, je zapotřebí použít nějakou metodu kódování, k překladu mezi magnetickým polem, a binárními daty.

Jeden z nejjednodušších praktických kódů, modifikovaný inverzní kód bez návratu k nule (anglicky Modified Non-Return-to-Zero-Inverted, NRZI) jednoduše kóduje jedničku jako změnu magnetické polarity ("obrácení toku") a nulu jako zachování polarity. Pokud disk rotuje konstantní rychlostí, každý bit představuje pevný časový interval ("datové okno") magnetického signálu, který reprezentuje tento bit; obrácení magnetického toku se může objevit pouze na začátku tohoto okna (starší disky používají stejnou délku datového okna pro celý disk, u moderních disků se na vnějších stopách používají kratší doby než na vnitřních viz zónový záznam).

Tato metoda je sice jednoduchá, ale je náchylná k chybám při čtení dlouhé posloupnosti nul.

Jednoduchý příklad: Binární vzorek '101', s datovým oknem 1 ns. Na disku bude uložen jako změna, následovaná žádnou změnou, a pak další změna. Pokud předchozí magnetická polarita byla pozitivní, může výsledný vzor vypadat takto: '−−+'. Hodnota 255 neboli samé jedničky, by byla zapsána jako '−+−+−+−+' nebo '+−+−+−+−'. Nulový bajt by byl zapsán jako '++++++++' nebo '−−−−−−−−'. 512bytový sektor nul by byl zapsán jako posloupnost 4096 bitů se stejnou polaritou.

Protože disk je fyzické zařízení, jeho otáčky se mohou mírně měnit v důsledku kolísání otáček motoru nebo teplotní roztažnosti disku. I fyzické médium diskety se může poněkud deformovat, a časovací obvod v diskovém řadiči může mít malou odchylku rychlosti. Pak se u dlouhého řetězce nul může stát, že poloha čtecí hlavy není známa zcela přesně, takže neexistuje žádný způsob, jak přesně zjistit počet nulových bitů. Odchylka rychlosti o pouhé 0,01% – což je mnohem lepší, než co lze zaručit u disketové mechaniky – může mít za následek, že chyba určení délky u posloupnosti 4096 bitů bude čtyři bity. Bez nějaké formy synchronizace a opravy chyb, by byla data zcela nepoužitelná.

Dalším problémem je maximální hustota záznamu, kterou umožňuje samotné magnetické médium: na určitou délku stopy lze zapsat určité množství změn polarity, což omezuje, kolik jedniček za sebou lze zapsat.

Aby se tomuto problému předešlo, jsou data kódována, takže nedochází k dlouhému opakování téhož bitu. Omezení maximálního počtu nul zapsaných za sebou zabraňuje ztrátě synchronizace, zatímco omezení počtu jedniček se sníží maximální potřebnou frekvenci změn polarity, což umožňuje uložit více dat na stejný disk.

Všechny kódy používané pro záznam na magnetické disky mají omezený počet nulových přechodů a proto je lze považovat za RLL kódy. Zatímco nejstarší a nejjednodušší varianty mají své názvy, například Modifikovaná frekvenční modulace (anglicky Modified Frequency Modulation, MFM), označení „RLL“ se často používá pouze pro složitější varianty, které vlastní název nemají. To však není technicky správně.

Terminogie RLL v oblasti pevných disků, konkrétně RLL (2,7), pochází od inženýrů firmy IBM, a byla poprvé použita v roce 1979 u zařízení IBM 3370 DASD[1][2][3] používaných na střediskovém počítači série 4300.

Na konci 80. let 20. století začaly pevné disky pro osobní počítače používat varianty RLL složitější než MFM.

RLL kódy našly téměř univerzální použití v praxi u optického záznamu na disk, od roku 1980. Ve spotřební elektronice se používají RLL kódy jako EFM (anglicky Eight-to-Fourteen Modulation, česky osm ze čtrnácti): rychlost = 8/14, d = 2, k = 10), tento se používá pro kompaktní disky (CD) a MiniDisky (MD). Kód EFMPlus (rychlost = 8/16, d = 2, k = 10), se používá na DVD. Parametry d a k jsou minimální a maximální povolená délka běhu. Pro další informace o technologiích ukládání dat použijte odkazy uvedené na konci článku.

Délka běhu je počet bitů, pro které zůstává signál nezměněn. Délka běhu 3 pro bit 1 je posloupnost '111'. Pokud záznam na disku obsahuje posloupnost magnetických polarizací '+−−−−++−−−++++++', jedná se o běhy délky 1, 4, 2, 3, a 6. Terminologie technologie Run length limited předpokládá kódování NRZI, takže bity 1 indikují změny a bitu 0 označující nepřítomnost změny, takže výše uvedené posloupnosti by byly vyjádřeny jako '11000101001000001 ", a počítají se pouze běhy nulových bitů.

V jiném pojetí je délka běhu počet nul (v předchozím příkladě 0, 3, 1, 2 a 5) mezi sousedními jedničkami, což je o jedna méně než je počet bitových intervalů, po jejichž dobu signál skutečně zůstává nezměněn. Run length limited posloupnosti jsou charakterizovány dvěma parametry, (d) a (k), které udávají minimální a maximální délku běhu nul, která se může v posloupnosti objevit. Každý RLL je pak obecně specifikován zápisem (d, k) RLL. např.: (1,3) MFM RLL.

Předpokládejme, že magnetická páska dovoluje zapsat až 3200 obrácení magnetického toku na palec. Kódování MFM neboli (1,3) RLL používá pro uložení každého datového bitu dva bity, ale protože je zaručeno, že mezi každými dvěma jedničkovými bity (obrácení toku) bude nula (bez obrácení toku), je možné na jeden palec pásky uložit 6400 zakódovaných bitů, což je 3200 datových bitů. Kódování (1,7) RLL může uložit také 6400 zakódovaných bitů na palec pásky, ale protože používá jen 3 kódové bity k uložení 2 datových bitů, je výsledná hustota 4267 datových bitů na palec. Kódování (2,7) RLL používá 2 kódové bity k uložení jednoho datového bitu, ale protože zaručuje, že mezi libovolnými dvěma jedničkovými bity budou dva nulové bity, je možné uložit 9600 zakódovaných bitů na palec, což je 4800 datových bitů na palec.

Hustoty obrácení toku na pevných discích jsou výrazně vyšší, ale různé systémy kódování dovolují stejné zvýšení hustoty.

V kódovaného formátu jednička indikuje obrácení toku, zatímco nula znamená, že se v daném časovém intervalu magnetické pole na disku nezmění.

Data:        0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0
Zakódováno: 1010111011111011101010111110
Hodiny:     1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Data:        0010 1101 0001 1000
Zakódováno: 10010011011101111010

Data:        0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0
Zakódováno: x010010001010001001010010100
Hodiny:     x 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0

Data:       0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0
Zakódováno: 101 001 010 100 100 000 001

Data:        1 1  0 1 1  0 0 1 1
Zakódováno: 1000 001000 00001000

Data:       0 1 0 0 1 1 0 1 0 1
Zakódováno: 010 101 000 000 010

• PRML
• Run-length encoding
• Linkový kód
• Error correcting codes
• Komprese dat
• Modulace
• Fyzická vrstva
• Self-synchronizing code a bitová synchronizace
• Kódování 8b/10b
• Eight-to-fourteen modulation a EFMplus jsou (2,10) RLL kódy bez stejnosměrné složky používané na CD a DVD.
• Ztráta bitové synchronizace

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Run-length limited na anglické Wikipedii.

• Digital Magnetic Tape Recording