本发明涉及旋转磁盘数据存储设备中的读定磁头的定位控制，具体地讲涉及在数据存储磁盘操作期间减小硬和软错误率的定位方法和装置。 旋转磁盘数据存储设备目前广泛地应用于计算机技术领域，提供读和写的快速数据文件存取。这些旋转数据存储器包括使用伺服致动器驱动的磁头部件以对旋转磁盘的磁盘存储器进行存取。它们还包括使用激光读写头部件存取一次定入（write-once）或主要是读出旋转光盘的较新的光盘存储器。例如，参见于1988年纽约的McGraw Hill Book公司出版的“磁记录（Magnetic Recording）第2卷：计算机数据存储器（Mee等人编辑）的Comstock等人的文章“在硬磁盘上的数据存储（Data Storage on Rigid Disk）”（第2章）可以知道磁数据存储磁盘文件的技术现状。
用于将信息读出和写入旋转的磁盘文件中的同心数据磁道的方法易发生数据错误，这些数据错误是在数据存储到该文件期间和在从该文件检索数据期间产生的磁头跟踪误差引起地。在写入和从一个存储设备读出期间用于减少硬（写）或软（读）错误的本技术领域公知的方法是规定磁道中心线和建立有关在该磁盘上每条磁道中心线的有限的偏移磁道区。使用写偏移磁道极限（WOL）和读偏移磁道极限（ROL）在磁的和光的机电存储设备技术领域中是公知的。原则上，偏移磁道方法提供了用于禁止磁头组件的读和写功能的阈值测量。即，当磁头位置在WOL内部或外部时写功能被禁止（停用）。通过在重叠期间防止由于大的位置误差引起的记录磁头将信息写入一条相邻的磁道，这个极限避免了“硬的”或不能恢复的数据错误。WOL规定磁道的“写极限宽度”。磁头位置误差大于这个写极限宽度的一半将迫使进入肯定的写禁止判定。
类似地，当磁头位置在以两个预定的ROL定界的读极限区时，则磁头的读功能被禁止，以防止在读操作期间的“软错误”。
该技术的问题是：这些偏移磁道极限是静态极限，它不能适应在读和写操作期间磁头磁盘动态的变化。例如，在读写禁止判定中不考虑数据存储磁道和磁头组件之间的相对速度。由于在某些情况下以本技术领域公知的方法的磁道跟踪操作期间磁头组件倾向于跨越极限来回摆动，固定的偏移磁道极限可能导致数据传送效率的降低。需要较正软错误的重复读操作可以大大地变慢数据传送的速率。
本技术领域的实践已研制了许多有用的技术，用于改善旋转磁盘存储设备中稳态磁道跟踪操作。例如，在美国专利第4554652号中Maeda等人公开一个光信息处理器，使用传统的分离阈值方法确定光的读写点对于磁道中心线的径向移动。Meada等人提供了用于响应光头位置误差超过确定的写偏移磁道极限时禁止光的写操作的装置。
在美国专利第4730290中，Takasago等人公开了一个跟踪误差检测电路，用于检测激光束离开光读写数据存储设备中的数据存储磁道的中心线的位置误差。在位置误差阈值首先超过第一预定的时间接着偏移磁道情况继续了比第一预定时间长的第二预定时间之后，Takasago等人的专利禁止光写入。
在美国专利第4839751中，Revels公开一种细定位方案，用于磁盘文件中的磁道跟踪伺服致动器。Revels教导一个两阈值跟踪方法，违反几个规定的时间间隔之一的近边界或远边界的磁头位置误差被翻译为指示磁头组件是否是“在中心”和逻辑地除去噪声及影响“在中心”指示的其它的误差条件。Revels提供阈值定时间隔中的变化以适应噪声的变化，但是不考虑响应磁头位置误差或速度变化的禁止判定的修改。
在美国专利第4954907号中，Takita公一了一个改进的磁头定位控制系统，用于数据记录的磁盘文件的磁道跟踪。Takita教导使用磁头速度检测器来确定相对于数据存储磁道中心线的磁头速度。然后他根据增加的磁头位置与速度和前面的伺服致动器输入电流的变化计算新的伺服致动器输入电流信号。Takita的教导假定，不反映驱动电流变化的磁头加速度的任何变化必须完全是冲击或振动的结果。他的系统工作以减弱这种不需要的加速的影响。Takita不考虑在他的新颖的磁道跟踪过程期间减少硬或软错误的任何新颖的读写禁止判定。
由于在旋转数据存储文件中使用硬阈值读写禁止技术是很通行的做法，极需要在读和写操作期间减少软错误率和改进数据传送效率的改进的磁道跟踪方法。相关的未解决问题和缺陷利用本发明以下面叙述的方法可以解决。
本发明通过将模糊逻辑技术应用于读写禁止策略而改善了软错误率。本发明的禁止控制器的基本部分是有关模糊隐含式和组合的推理规则两个概念的词汇或语言控制规则。即，禁止控制器提供一个模糊逻辑过程，该过程将由专门知识产生的词汇控制规则变换为自动控制策略。一组的词汇或语言控制规则通过使用“如果…则”型逻辑语句被变换为自动控制策略。
本发明部分地是基于这样的认识：本发明的改进的读定禁止策略可以作为一组词汇控制规则来描述。然后这些规则被变换为自动控制或判定策略，因而以模糊逻辑实现禁止控制器。可以包括多个输入和输出的结果模糊控制器过程可看作是一个多维查找表。
本发明的改进的读写禁止策略是基于这样的认识：从一段时间内监视的磁头位置误差信息的磁头速度估计对于改善数据传送效率是意想不到地有用的。本发明的读写禁止判定是响应磁头位置误差信息和磁头速度信息而进行的。用于从磁头位置误差信息和磁头速度信息导出禁止判定的本发明的方法最好使用一个模糊逻辑方法将词汇规则变换为自动控制表，但也可用传统的双电平逻辑技术来实现。
本发明的一个目的是在读操作期间通过改进读禁止判定过程来减小软错误率，因而改善了数据传送效率。本发明的另一个目的是在写操作期间通过改进读禁止判定过程而不降低数据传送效率来避免所有的硬错误。本发明的一个特性是：通过使用含有作为输入的磁头位置误差和磁头速度信息的简要的禁止控制技术改善软和硬错误率。
当参阅下面的实施例和附图时，本发明的前述的特点及其它特点和优点将会更清楚了。
为了更完整地了解本发明，现在参见下面对在附图所示的实施例所作的详细的叙述，其中：
图1表示现有技术的数据存储磁道的内和外偏移磁道极限;
图2提供磁头位置误差和磁头速度的两个说明性的模糊集隶属函数;
图3说明本发明优选的磁头位置模糊集隶属函数;
图4说明本发明优选的磁头速度模糊集隶属函数;
图5表示从仅仅根据磁头位置的词汇规则得到的读写禁止判定策略;
图6表示从用于图3和4的模糊集隶属函数的本发明的词汇规则得到的读写禁止判定策略;
图7提供本发明的装置的说明性实施例;和
图8表示从本发明的读写禁止策略产生的软错误率（SER）的改善。
模糊逻辑原理：
本发明涉及将模糊逻辑技术应用在读写禁止判定过程。虽然模糊逻辑方法是公知的，但是直到现在它们还没有应用到旋转磁盘存储文件技术领域。模糊逻辑是传统的双电平逻辑的延伸。虽然双电平逻辑要求完全直或完全假的语句或条件，但是模糊逻辑允许部分真和部分假。模糊逻辑是从模糊集的更通用的理论得到的。在模糊集中的变量值的隶属程度可以在0到1的范围内，0表示在该集中无隶属，而1表示在该集中完全隶属。这个函数在图2中被举例说明了，所有错误或速度的“禁止”集中的磁头位置误差和磁头速度隶属，对此必须进行禁止判定。
模糊集的数学精确度从将输入值精确地变换为隶属程度得到。模糊逻辑的语言能力在于它的规定和控制集的能力，该集包含变化的隶属程度而没有考虑所有可能的值的组合的负担。关于模糊逻辑唯一未明确的情况是一个问题和它的解法的语言表示式，不是数字表示法。问题的未明确或通用的语言表示式允许使用者导出和确定数字表示式而不要求考虑或了解详细的数字模型。模糊逻辑可应用在复杂的逻辑和组合的问题，由于有极大量的可能组合，所以数字模型对这些问题是不能用的。
模糊逻辑系统与传统的专门系统的差别在于它具有少得多的求值规则。模糊逻辑系统应起着保持这样错觉的作用：在它的规则库中的全部规则是同时求值的。这意味着具有大量的随机中断的复杂的实时系统是不适用于模糊逻辑解法的。仅仅具有平滑变化的输入或输出的系统一般是适用于模糊逻辑解法的。
几个变量的模糊逻辑隶属函数可以使用类似于双电平逻辑运算公知的那些运算符进行组合，形成新的隶属函数。标准的模糊运算是与、或和非，它们分别相应于模糊集的交集（INTERSECTION）、并集（UNION）和补码（COMPLEMENT）运算。这三种模糊运算提供新的隶属函数，函数值的确定按照最小隶属程度为与，最大隶属程度为或，而1减该隶属程度为非函数。即，在一个模糊集中A和B的隶属程度在相同集的二个单独的程度值中是较小的，等等。参见1988年4月的IEEE Computer第83-93页Zadeh的文章“模糊逻辑”，作为模糊逻辑技术的一般讨论并作为附加的参考材料。
模糊逻辑系统通常使用这三种模糊逻辑运算符来描述由设计者建立的一个或多个词汇规则而实现的。词汇规则的一个例子是“‘如果’位移是正的小的‘与’位移变化率是0，‘那么’驱动力是负的小的”。（引自1991年3月计算机设计第93页Maski Togai的文章“模糊逻辑控制实例”）
在美国专利4930084号中，Osaka等人公开了基于实现模糊逻辑自动巡航控制装置的车辆控制系统。Osaka等人提供了将模糊逻辑技术应用于电子控制系统设计的有用的背景讨论，但不考虑旋转的磁盘文件技术。
磁头跟踪问题：
图1说明现有技术的同心数据存储磁道的几何图象。磁道通常是位于磁道中心线10并具有用于读和写操作由偏移磁道极限定界的一个有限的宽度。读偏移磁道极限（ROL）以位于趋向磁盘中心（未画出）的内ROL12和位于趋向磁盘边缘（未画出）的外ROL14示出。ROL12和14规定了对于磁道中心线10的写极限宽度。类似地，内写偏移磁道极限（WOL）16和外WOL18规定了对于磁道中心线10的写极限宽度。写极限宽度通常比读极限宽度更窄，因为写操作超出偏移磁道极限可产生不可恢复的或“硬的”错误，而读操作超出这种极限是“软的”错误而且可在该磁盘的下一圈期间通过读该数据被恢复。这些软错误仅仅减慢数据传送速率而不引起数据的丢失。
正如参见上面引用的Comstock等人的参考资料可以知道的，在磁盘的一圈期间，迫使读写头（未画出）尽可能好的跟踪磁道中心线10。图1表示在三个不同的磁头位置的三个可能的运动矢量来说明可能的磁头磁道位置和速度关系。
例如，考虑在磁头位置20的三个磁头磁道速度矢量。矢量22代表磁头相对于磁道中心线10的负或向内的运动。矢量24代表磁头相对于磁道中心线10的正或向外的运动，而矢量26代表磁头和磁道中心线10之间没有相对运动。类似地，所示的矢量用于两个其它的磁头位置28和30。
在磁头位置20，磁头正好在ROL12和14以及WOL16和18内。如果磁头按照矢量22运动，那么它运动接近负WOL16，但是除非它正在快速运动外，不立即要求禁止动作。在矢量24的运动改善了在下一取样或扇面的磁头位置误差而在矢量26的运动保持状态quo。因此，在磁头位置20，除在矢量22的高速度外不要求禁止判定。
磁头位置28接近内ROL12并且在内WOL16的外面。因此，在磁头位置误差超出内WOL16之前而不是等待直到磁头位置28被检测就应已进行了写禁止判定。还有，如果矢量32是高速度，则读禁止判定是可预测的。在现有技术中，对任何这类的预测式禁止判定没有作出规定。类似地，在磁头位置28的矢量34意味着没有预测读禁止判定，但是必须小心地处理。最后，向外矢量26实际上改善了边缘位置的情况并不要禁止判定。
在磁头位置30的三个运动矢量的例子根据这个理由得到类似的结论。注意，向外矢量改善在磁头位置28的情况而向内矢量改善在磁头位置30的情况，在使用磁头速度作为输入的任何逻辑判定策略中要求额外的改进。
在结合图1进行的这些观察结果证明绝对磁头位置误差值对于禁止判定过程并没有磁头位置误差和相对磁头速度（位置误差的时间导数）的组合有用。在产生软（或硬）数据错误之前通过允许预测位置误差阈值跨越，这种第二组合能改善禁止判定策略。
本发明：
本发明的方法将读和写策略表示为一个或多个语言控制规则。然后适当规定的策略被变换为自动控制或判定方案并以模糊逻辑控制器（FLC）实现。这样的FLC过程可以有多个输入和输出，它可以表示为一个多维查找表。
叙述本发明的必要的词汇规则的第一步是建立对上面讨论的磁头位置误差和磁头速度的模糊集隶属函数。图3提供用于磁头位置误差的说明性的模糊集隶属函数，而图4提供用于磁头速度的说明性的模糊集隶属函数。这两个函数对这个实施例是最好的，但是可以很容易以类似的有用效果的形式进行修改。图2提供了位置和速度与“禁止”判定有关的两个这样函数的另一个例子。
在图3中，水平轴代表相对于磁道中心线的磁头位置并向内延伸到左边和向外延伸到右边。RL轴标记代表读偏移磁道极限而WL轴标记代表写偏移磁道极限。WL在所示的磁道中心线的两侧被分为三等分。例如，WL/3的距离38代表±WL之间的宽度的六分之一。RL和WL之间的距离不必与±WL之间的区域宽度有关。
图3中的纵轴以一系列的两个字母符号标记，这些符号代表分配给所示的相应的磁头位置误差值的模糊区域。例如，“接近零”的区域标记为ZE并代表±WL之间宽度的内三分之一。PS和NS标记代表±WL之间宽度的第一个三分之一之外和最后三分之一之内的正和负“小误差”区域。PS区域位于磁道中心线外而NS区域位于磁道中心线内。
类似地，PM和NM代表位于WOL区域的外三分之一的磁头位置误差的“中等误差”区域。最后，“大误差”标记为PL和NL，代表超出WOL而仍在ROL内的磁头位置误差。隶属也可定义为对特定设计考虑超出ROL的磁头位置误差。
参见图4，对磁头位置误差、磁头速度的时间导数了提供了类似的模糊集。磁头速度与磁道跟踪速度极限VL有关。VL被分为三等分，每个区域使用如上面结合图3讨论的相同术语来标记。即，“几乎是0”标记为ZE并代表VL区域的内三分之一，“小速度”标记为NS和PS，代表VL区域的中间三分之一，而“中等速度”标记为NM和PM，代表VL区域的外三分之一。还有，相对磁道中心线的正号指定给向外速度，而负号指定给向内速度。
如果磁头速度落入PL或NL（“大速度”）的范围内，由于磁道跟踪伺服控制机制通常移动磁头不比VL更快，其原因很可能是外部机械冲击或震动。因此，在磁头速度“大”且在这种环境下可以进行读和写禁止判定时，关于操作条件有一些不确定性。在现有技术中对此没有规定。
图5说明基于图3和4的集隶属函数的使用模糊逻辑词汇规则的二维判定表，该模糊逻辑词汇规则只使用磁头位置控制该读写禁止判定。水平座标包括标记为“I”、代表磁头位置误差超出ROL的两末端的两个位置。这两个磁头位置导致自动禁止写和读操作，如图5所示。类似地，RL和NL列代表在WOL之外的磁头位置误差，对该磁头位置误差经常在这个表中进行写禁止判定。这样，PL和NL列一致地填写代表写禁止的符号“W”。
图6表示具有禁止判定的图5的二维表，该禁止判定是从本发明优选的词汇规则得到的。注意，在标记“I”的栏中的禁止判定与现有技术中的禁止判定是相同的，因为它们应该是这样的。注意，使用禁止判定过程中的磁头速度使得在标记PL和NL的行中的所有“大速度”的读和写功能都被禁止。这个特性是在禁止判定过程中磁头位置误差的时间导数与磁头位置误差结合的本发明的方法的结果。最后注意，在其它栏中的禁止判定是根据复模式而变化，该复模式是从作为禁止判定策略的基础的词汇规则得到的。
回顾结合图1的上面的讨论，注意，当磁头速度是面向磁道中心线时，“大的磁头位置误差”（PL和NL栏）不要求禁止判定。即，在磁头位置误差和磁头速度的符号相反时，不预测或不需要禁止判定。由于在现有技术中不考虑磁头的速度，所以这种明确表达（refinement）是不可能得到的。
在磁头速度和磁头位置误差是相同的符号时，读和写的禁止判定是很快地进行的，因而预测了在最近的将来增加的问题。所以，如果速度和位置是同方向的，对于大和小或中等与中等的位置误差和速度的组合，读和写禁止判定都进行。这代表用于定义必要的禁止控制器逻辑的另一个词汇规定。
最后，对于相同方向的中等和小的位置误差和速度的组合，不进行读禁止判定，但是由于清楚预测到了在WOL之外过记录的可能发生的危险，进行写禁止判定。
在图6中的表，图4和5中的集隶属函数和上面相关的讨论是作为使用本发明优选的模糊逻辑隶属函数和词汇规则的效果的说明性例子。将位置误差和速度区域分为三等份是方便的但是也是任意的，这些方法完全适合于四等分或十等分。
图8中说明了软错误率（SER）特性曲线，实线（SER1）代表现有技术的SER，而虚线（SER2）代表本发明的改善的错误率。图8表示作为磁头位置误差的函数的SER。SER1可在较宽的ROL区域（3δ2）内保持着或可以在ROL区域（3δ1）内被改善为SER2。
图7表示本发明的预测型读写禁止判定装置的概念实施情况。在图7中，示出了通过悬臂（Suspension）44接到磁头组合件42的常规磁头定位伺服致动器40。磁头42与磁盘46紧密接触，并且由响应于驱动器48的输出的伺服致动器40的动作进行定位。
驱动器48提供正比于数模（D/A）变换器50的输出的电流或电压输出。D/A变换器50的输入是一个状态控制输出信号52。
在磁盘46上的磁道位置信息由磁头42检测并通过臂式电子组件（arm electronics）54传送到解调器56。解调器56产生磁头位置误差信号，并提供给磁头速度估算器60和状态控制器62，它完成了一个伺服反锁环路。估算器60和控制器62可以用单片微处理器来实现。
估算器60从磁头位置误差信号58的时间变化率产生一个估算的磁头速度信号64。磁头速度信号64被发送到状态控制器62用于产生状态控制输出信号52。
模糊逻辑控制器（FLC）66以所示的方法接到这个伺服环路中。FLC66起着禁止控制器的功能，它也可以以本技术领域公知的双极性逻辑为基础。
响应磁头速度信号64和磁头位置误差信号58输入，FLC66产生两个读和写禁止判定信号68和70。FLC66由数据线74从R-W信道72进行控制。读禁止信号68和写禁止信号70可以从图6的检查来确定。
本发明代表在直接存取存储设备（DASD）中模糊逻辑控制方法的第一个已知的应用。在这里模糊逻辑控制方案限制于读写禁止判定逻辑。其它的DASD控制逻辑也可以修改为模糊逻辑技术。
由于改善了偏移磁道检测和预测能力，本发明的方法改善了SER。它还减少了磁道间挤压引起的潜在的硬错误条件。改善SER是在它出现之前预测偏移磁道磁头定位的能力得到的。本发明的方法还防止在极端的外部冲击或震动期间的读或写问题，可用于在出现数据丢失之前给主机产生一个通知信号。
FLC66的动能可以与状态控制器62的功能一起组合到具有用于FLC功能的必须的存储器的单片微处理器中。
显然，考虑到这些教导，本技术领域的普通技术人员很容易想到本发明的其它实施例和修改。因此，本发明仅仅由以下的权利要求书限定，在结合上面的说时书和附图考虑时，权利要求书包括所有的这些显而易见的实施例和修改。
本发明通过将模糊逻辑技术应用到读写禁止控制策略而改善了软错误率。