5. Организация данных на устройствах с прямым и последовательным доступом

ВЗУ по способам доступа к информации разделяются на

• устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках);

• устройства последовательного доступа (накопители на кассетной магнитной ленте).

Расположение блоков памяти на поверхности носителя можно представить в виде линейного или двумерного массива (матрицы). В первом случае для нахождения требуемого блока просматриваются последовательно все блоки. ВЗУ, реализующие такой просмотр, называют накопителями с последовательным доступом. При расположении блоков информации на носителе в виде двумерного массива организуется независимый поиск по каждому направлению. Если задан номер строки (или дорожки) Y_i, где расположен искомый блок (ij), то время поиска определяется временем просмотра блоков только на этой дорожке. Поиск в направлении Y здесь производится за счет переключения или перемещения органов считывания (например, магнитных головок), а просмотр в направлении X – за счет перемещения носителя (например, магнитного диска). В ВЗУ с прямым доступом один и тот же блок доступен для записи и чтения через постоянные промежутки времени, определяемые в случае накопителей на магнитных и оптических дисках временем оборота, поэтому такой доступ называют циклическим.

Устройства прямого доступа обладают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запоминающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования ЭВМ. Устройства последовательного доступа используются в основном для резервирования информации.

По характеру использования информации различают:

• постоянные ВЗУ, которые допускают только чтение информации (CD-ROM);

• ВЗУ с однократной записью, при которой пользователь имеет возможность произвести запись информации на поверхность носителя один раз, после чего допускается только чтение (CD-R, DVD-R);

• ВЗУ с многократной записью, при которой допускается произвольное число циклов записи и чтения.

Подробная классификация ВЗУ представлена на рис. 5.1.

6. Основные характеристики взу

Все параметры ВЗУ можно условно разделить на 4 группы:

• информационные:

• конструктивные (габаритные размеры, масса, потребляемая мощность);

• надёжностные (среднее время безотказной работы, срок службы, вероятность появления ошибок). Обычным показателем для НГМД (FDD – Floppy Disk Drive) 3,5” считается наработка на отказ 12000 часов, для дисков винчестерского типа с интерфейсом IDE (Integrative Drive Electronics) – 300000-500000 часов, с интерфейсом SCSI – до 1 млн. часов. Это означает, что, например, при показателе 500000 часов (56 лет), вероятность выхода из строя за период 1000 часов составляет 0,5%.

• эксплуатационные (стоимость, условия внешней среды, уровень акустического шума).

Наибольшее влияние на производительность ЭВМ оказывают информационные (функциональные) параметры, к которым относят следующие:

1. Емкость. Если носитель сменный, то под емкостью понимают объем одного тома, который доступен без смены носителя.

Для НМЛ

где C_бл – информационная емкость одного блока (зоны), байтов; n_бл – число блоков, записанных на магнитной ленте.

Для НМД

где C_д – информационная емкость одной дорожки, байтов; n_д – число дорожек (цилиндров) на рабочей поверхности диска; m_д – число рабочих поверхностей диска.

Например, у НГМД (FDD – Floppy Disk Drive) 3,5”: C_FDD = (18×512)×80×2 = 1474560 байтов = 1,44 Мб. Здесь 18 – количество секторов дорожки, 512 – размер одного сектора. Если исключить участки, занятые Boot-сектором (нулевая дорожка) и FAT таблицей (таблица размещения файлов), то получим доступные 1457664 байтов=1,39 Мб.

Рис. 5.1. Классификация внешних запоминающих устройств.

Емкость гибкого диска LS-120 - 120 Мбайт, а сменных дисководов JAZ и JAZ2 – 1 и 2 Гбайта соответственно. Емкость сменных дисководов фирмы SyQuest лежит в пределах от 0,23 (EZFlyer) до 1,5 (SyJet) Гбайт, а дисководов ORB – 2,16 Гбайт.

Емкость НМД винчестерского типа (HDD – Hard Disk Drive) с интерфейсом IDE достигает 80 Гбайт (количество дисков до 5 с двумя рабочими поверхностями), с интерфейсом SCSI еще больше, а число дисков достигает 10.

Примечание. Обозначения IDE и ATA (Advanced Technology Attachment – подключение к AT) синонимы.

Емкость НМЛ стандарта MLR - 25 Гбайт, стандарта DDS до 24 Гбайт, стандарта DLT – 20-40 Гбайт, стандарта Mamonth - 120 Гбайт.

Емкость дисков CD-ROM: 650-700Мбайт, DVD-ROM (Digital versatile disc – универсальный цифровой диск): 4,7-17 Гбайт, магнитооптических дисков 5,25” – до 22,6 Гбайт, а 3,5” – до 1,3 Гбайт.

2. Номинальная скорость передачи данных (пропускная способность, скорость записи-считывания, внутренняя скорость передачи – internal transfer rate).

Блок на носителе можно рассматривать в виде последовательности бит, расположенных вдоль направления движения носителя. Длительность записи-считывания блока поэтому определяется временем, затрачиваемым на прохождения блока под головкой, а пропускная способность соответствует отношению объема блока ко времени его прохождения под головкой. Следует отметить, что среднее значение скорости передачи информации в ВЗУ может существенно отличаться от номинального значения, т.к. значительная часть времени при обращении к ВЗУ тратится на поиск информации. Кроме того, реальная скорость передачи данных зависит от пропускной способности внешних шин и существенно ниже.

Для НМЛ

где _l – продольная информационная плотность записи, бит/мм; v – скорость перемещения магнитной ленты, мм/с (стандартная скорость 0,864 - 2,5 м/с); n_k – число информационных каналов записи-воспроизведения (15-144).

F_НМЛ составляет у стандарта MLR – 2 Мбайт/с, стандарта DDS – 0,4-3 Мбайт/с, стандарта DLT 1,5-10 Мбайт/с.

Для НМД

где t_об= 60/n_об – время одного оборота диска, с; n_об – частота вращения, об/мин (rpm – rotation per minutes).

Для FDD F_FDD ≈ 80 Кбайт/с (n_об = 300 rpm), для LS-120 F_LS-120 = 600 Кбайт/с, для ZIP F_ZIP = 1,4 Мбайт/с, для JAZ2 F_JAZ2 = 8,7 Мбайт/с. Пропускная способность сменных дисководов фирмы SyQuest лежит в пределах от 2,4 (EZFlyer) до 7 (SyJet) Мбайт/с, а дисководов ORB – 5 Мбайт/с.

Для HDD с интерфейсом IDE F_HDD = 15-60 Мбайт/с (максимальное значение относится к протоколу Ultra ATA-100 или Ultra DMA-100 (Direct Memory Access), n_об = 5400-7200 rpm), с интерфейсом SCSI достигает 66 Мбайт/с и выше (n_об = 7200-15000 rpm).

Для НОД (CD-ROM – Compact Disk ROM и DVD-ROM) номинальная скорость передачи данных традиционно рассчитывается исходя из кратности по отношению к стандартной единице, равной пропускной способности в 150 Кбайт/с. У CD-ROM 40 F_CD-ROM  6 Мбайт/с. Частота вращения CD-ROM n_об = 7400-10400 (у 50) rpm.

У магнитооптических дисков 3,5” скорость чтения до 3,8 Мбайт/с, а скорость записи из-за инертности тепловых процессов значительно меньше до 1,3 Мбайт/с.

3. Среднее время доступа (average seek time).

Время доступа – это интервал времени от момента запроса до момента выдачи блока. Оно не постоянно и зависит от множества факторов: скорости перемещения носителя, скорости перемещения головок, способа доступа, расстояния между текущим положением головки и положением запрашиваемого блока.

Для НМЛ

где l – длина магнитной ленты, м (60-360 м); 1/3 – коэффициент, полученный в предположении, что информация располагается равномерно по всей длине ленты.

Для НМД

где t_поз – среднее время перемещения (позиционирования) головки на требуемую дорожку (или по-другому среднее время поиска дорожки – track to track seek), с; t_ож – среднее время ожидания блока (сектора) на дорожке, пока он не окажется под головкой. Принимается т.е. равным времени пол-оборота диска.

Для FDD T_FDD= 100 мс (t_поз < 90 мс), для LS-120 T_LS-120 = 70 мс, для JAZ2 T_JAZ2 = 16 мс, у сменных дисководов фирмы SyQuest лежит в пределах от 13,5 (EZFlyer) до 11 (SyJet) мс, а у дисководов ORB – 10 мс (чтение), 12 мс (запись).

Для HDD с интерфейсом IDE T_HDD = 8,5-12 мс (n_об = 5400-7200 rpm), с интерфейсом SCSI – 4-8 мс (n_об = 7200-15000 rpm).

Для CD-ROM T_CD-ROM= 60-90 мс. Для DVD-ROM T_DVD-ROM= 110-180 мс. Для магнитооптических дисков 3,5” – 25 мс при задержке вращения 7 мс.

У НМЛ стандарта SLR T_SLR= 45 с.

4. Плотностью записи. Различают поверхностную, продольную и поперечную плотностью записи.

Под поверхностной плотностью записи  понимают число бит информации, записанных на единице поверхности носителя. Продольной плотностью записи _l называют число бит на единице длины носителя вдоль вектора скорости его перемещения (бит/мм или bpi – bit per inch). Поперечная плотность записи _q– число дорожек на единице длины носителя в направлении перпендикулярном вектору скорости (1/мм или tpi – tracks per inch).  = _l  _q.

Плотность записи определяет геометрические размеры носителя, параметры его быстродействия, а также объем памяти.

В свою очередь, плотность определяется:

• принципами регистрации информации на носителе;

• материалом носителя;

• конструктивными особенностями и технологией изготовления, как носителя, так и средств записи-чтения.

Теоретические и практически достигнутые в настоящее время значения приведены в таблице 5.1.

У НМЛ стандарта QIC _l до 96000 bpi (3800 бит/мм), _q до 576 tpi (23 1/мм, у FDD _l =17500 bpi (690 бит/мм) _q = 135 tpi (5,3 1/мм)

Таблица 5.1.

Поверхностная плотность записи

Тип носителя	Достигнутое значение, Gbpi2(Мбит/мм2)	Теоретическое значение, Gbpi2 (Мбит/мм2)
Магнитный	10 (16)	20-50 (30-75)
Оптический	30 (46)	150-200 (230-300)