учебник информатика
.pdf
2.4 Оперативная память
Микросхемы памяти состоят из отдельных матриц, каждая из которых имеет собственную линию чтения/записи. В этом случае одновременно считывается или записывается несколько бит информации. Количество линий определяет разрядность шины ввода/вывода. Современные микросхемы памяти 64-х разрядные.
Емкость матрицы памяти (глубиной адресного пространства, address depth) и их количество (разрядность) определяет общий объем микросхемы памяти, которые размещаются на модулях памяти (DIMM – модули). DIMM-модуль (Dual In-Line Memory Module) имеет с двух сторон электрически независимые контакты для подключения к шине контроллера памяти через слот, в который они вставляются.
Наиболее распространенными являются 240-контактные 64разрядные модули DIMM, имеющие по 120 контактов с каждой стороны (см. рисунок 2.14).
Хотя число контактов у модулей DDR2 и DDR3 одинаково, слоты, предназначенные для памяти разного типа, отличаются расположением «ключа» - прореди между контактами. Поэтому, установить DDR3 SDRAM в DDR2 DIMM и наоборот не удастся.
SDRAM – микросхема синхронной динамической памяти (Synchronous DRАМ), в которой процессы записи и считывания информации строго привязаны к тактам системной шины.
Рисунок 2.14. Модули памяти DDR3
DDR SDRAM (Double Date Rate – удвоенная скорость передачи данных) является следующим поколением SDRAM. В отличие от SDRAM па-
71
Глава 2. Аппаратное обеспечение персональных компьютеров
мять этого типа дает возможность выполнять два обращения к памяти за время одного такта системной шины.
DDR2 и DDR3 – последующие модификации памяти DDR SDRAM, позволяющие за один такт записывать или считывать 4 (DDR2) или 8 (DDR3) блоков данных, имеют пониженное напряжение питание (DDR -
2,5 В, DDR2 - 1,8 В, DDR3 - 1,5 В) и энергопотребление.
Внастоящее время память DDR2 работает на частоте от 533 МГц (обозначаемая, как РС2-4200 по скорости передачи данных 4200 Мб/с) до
1066 МГц (РС2-8500).
Память DDR3 выпускается для работы с частотой от 1066 МГц до 2000 МГц, маркировка DDR3 в зависимости от частоты: РС3-8500 … РС316000.
Вобозначениях модулей памяти встречаются также обозначения:
–ECC – память с коррекцией ошибок (Error Correct Code) – имеет дополнительную 8-разрядную микросхему памяти, в результате модули с ECC являются 72разрядным (в отличие от стандартных 64-разрядых модулей);
–Full Buffered (FB) – память с буферизацией данных, имеет дополнительные микросхемы регистров для буферизации данных, наиболее часто используются в регистровых модулях (Registered) для серверов.
Стоимость памяти для ПК достаточно высока, данные таблицы 2.7
позволяют получить сравнительные данные о различных модулях памяти. Таблица 2.7. Модули памяти и их примерная цена (январь 2013 г.)
Наименование модуля |
Цена, руб. |
DDR3 DIMM 1 Gb PC-10660 Hynix 1333MHz |
524 |
DDR3 DIMM 2 Gb PC-10660 Hynix 1333MHz |
410 |
DDR3 DIMM 4Gb PC-10660 Hynix 1333MHz |
685 |
DDR3 DIMM 8Gb PC-10660 Corsair 1333MHz |
1140 |
Необходимый объем оперативной памяти для настольных персональных компьютеров зависит в первую очередь от операционной системы и от приложений пользователя, которые используются на ПК.
До недавнего времени наибольшее применение находили модули памяти DDR2 емкостью 1 ГБайт (2 модуля в комплекте для двухканальной памяти), для семейства процессоров Core i3/i5 используют 2 модуля по 2
Гб DDR3.
72
2.5 Устройства хранения информации
2.5 Устройства хранения информации
Устройства хранения информации (внешняя память) – компонен-
ты компьютера, позволяющие практически неограниченное время сохранять большие объемы информации без потребления электроэнергии (энергонезависимые).
Первыми такими устройствами для ПК были Floppy-дисководы (FDD) и сменные дискеты – вначале пятидюймовые (5,25") емкостью 360 Кб и 1,2 Мб, затем трехдюймовые (3,5") емкостью 1,44 Мб. В настоящее время применяются редко в связи с широким распространением устройств флэш-памяти емкостью в несколько гигабайт.
Примечание. На больших ЭВМ в эпоху до появления ПК для хранения информации использовались бумажные перфокарты, перфоленты, магнитные ленты и диски.
2.5.1 Винчестер
Следующий этап в развитии устройств хранения информации для ПК – винчестеры (или жесткие диски – Hard Disk Drive, HDD), которые в настоящее время являются обязательным компонентом каждого настольного персонального компьютера. В принципе, могут существовать бездисковые сетевые рабочие станции и терминалы, с загрузкой операционной системы с сервера и работой с дисковыми устройствами сервера, но на практике такие ПК встречаются достаточно редко. В субноутбуках винчестер может отсутствовать, вместо него используется флэш-память большого объема.
Первый винчестер с обозначением 30/30 был создан корпорацией IBM в 1973 г. и позволял на двухстороннем алюминиевом диске сохранять 30 + 30 МБайт данных. Название 30/30 совпадает с обозначением американской винтовки типа «винчестер», откуда и произошло наименование устройств хранения информации на жестких дисках.
Современные винчестеры имеют емкость 500 ГБайт и более. Винчестер представляет собой плоскую, герметически закрытую металлическую коробку, внутри которой на общей оси находятся несколько жестких алюминиевых или стеклянных пластинок круглой формы (см. рисунок 2.15).
73
Глава 2. Аппаратное обеспечение персональных компьютеров
Выпускаются винчестеры в основном двух размеров дисков (форм-фактор) – 3.5 и 2.5 (последние преимущественно для использования в ноутбуках). Поверхность каждого диска покрыта тонким ферромагнитным слоем (веществом, способным длительное время сохранять состояние намагниченности). Для чтения и записи данных в винчестерах используются плавающие на воздушной подушке магнитные головки. Зазор между магнитным слоем и головкой составляет десятые доли микрон. Для перемещения го-
ловок используется электромагнит, а для отслеживания местоположения применяется автоматическая система регулирования, которая по магнитным меткам на поверхности опорного диска позиционирует головки в нужном месте.
Пакет дисков вращается непрерывно с большой скоростью (7200 – 15000 об/мин). Запись данных осуществляется следующим образом. При изменении силы тока, проходящего через записывающую головку, происходит изменение напряженности магнитного поля в щели между поверхностью и головкой, что приводит к изменению напряженности магнитного поля на небольшом участке ферромагнитного покрытия диска. Намагниченные участки и не намагниченные соответствуют двоичным кодам 1 и 0. Для чтения данных используется магниторезистивный принцип, когда сопротивление полупроводниковой пленки, из которой сделана головка чтения, меняется в зависимости от напряженности магнитного поля на поверхности ферромагнитного диска. Электрический сигнал с головки усиливается и передается на обработку в контроллер жесткого диска, расположенный в чипсете.
Вся электроника, предназначенная для управления двигателем привода дисков и электромагнитом головок, а также для чтения и записи данных, располагается на небольшой печатной плате, укрепленной снаружи корпуса.
Винчестер может иметь до десяти дисков. На поверхности дисков размечаются траектории записи информации – концентрические окружности, которые называются дорожками или треками (track) и сектора на каж-
74
2.5 Устройства хранения информации
дой дорожке. Каждая дорожка имеет свой номер. Дорожки с одинаковыми номерами, расположенные одна над другой на разных дисках образуют цилиндр. Каждый сектор на дорожке также имеет номер, нумерация начинается с единицы. В один сектор может быть записано 571 байт двоичной информации: 512 байт отведено для записи нужной информации, остальные под заголовок (префикс), определяющий начало и номер секции и окончание (суффикс), где записана контрольная сумма, нужная для проверки целостности хранимых данных. Секторы и дорожки образуются во время низкоуровневого форматирования диска на заводе-изготовителе. В новых винчестерах число секторов на внешних дорожках больше, чем на внутренних, и для них используют линейный способ адресации блоков LBA (Linear Block Addressing), когда все секторы нумеруются последовательно от первого сектора нулевой дорожки нулевого цилиндра до последнего на крайней внутренней дорожке.
К современным винчестерам неприменима операция низкоуровневого форматирования пользователем с помощью специальных программ (возможна для гибких дисков и старых винчестеров).
Несколько секторов образуют кластер – наименьшую адресуемую единицу на диске для используемой файловой системы. Форматирование с разметкой кластеров и созданием файловой системы на диске выполняется с помощью специальной программы, входящей в состав операционной системы (иногда на стадии установки этой системы). Неформатированный диск не может быть использован для записи файлов.
До форматирования жесткий диск можно разбить на логические диски (раздел винчестера или том). Это удобно, поскольку наличие нескольких логических дисков упрощает структуризацию данных, хранящихся на жестком диске.
Существует огромное количество разных моделей жестких дисков многих фирм, таких как Seagate, Maxtor, Western Digital, Quantum, Fujitsu, Hitachi, Samsung, Toshiba и пр. Для обеспечения совместимости винчестеров, разработаны стандарты на их характеристики, определяющие номенклатуру соединительных проводников, их размещение в переходных разъемах, электрические параметры сигналов.
Самый распространенный до недавнего времени тип винчестера по интерфейсу подключения был IDE (Integrated Drive Electronics). Винчестер типа IDE использует спецификацию параллельного интерфейса АТА (Advanced Technology Attachment). В настоящее время новые чипсеты поддерживают новую спецификацию подключения HDD – последовательный интерфейс SerialATA и SerialATA II. Соответственно новые винчестеры
75
Глава 2. Аппаратное обеспечение персональных компьютеров
имеют тип интерфейса SerialATA. Особняком стоит SCSI (Small Computer System Interface – интерфейс малых компьютеров), так этот интерфейс используется, в основном, в серверах и устройства SCSI довольно дороги.
ATA – один из старейших стандартов обмена данными, был разработан в 1989 году тремя компаниями: Imprimus – подразделением Control Data Corporation, Western Digital и Compaq. Представляет собой парал-
лельный шинный интерфейс. Первый стандарт ATA был утвержден в 1994 году национальным комитетом по стандартам информационных технологий (NCITS). ATA и его дальнейшие варианты, такие как ATA-2, ATA-3, и т. д. – официальные названия стандарта. IDE, EIDE, UltraATA, и т.д. – маркетинговые термины, используемые производителями винчестеров. IDE-интерфейс позволяет обмениваться данными со скоростью до 2 МБайт/с.
Serial ATA – последовательный шинный интерфейс для передачи данных, пришел на замену ATA. Был разработан компанией Intel совмест-
но с IBM, Dell, Seagate, Quantum, Maxtor, APT Technologies и др. в 2000
году. Обеспечивает пропускную способность до 3 Гбит/с.
Среди других параметров, которые влияют на быстродействие HDD следует отметить следующие:
–скорость вращения дисков – в наше время обычно 7200 об/мин, накопители SCSI 10000 – 15000 об/мин;
–объем кэш-памяти – во всех современных дисковых накопителях устанавливается кэш-буфер, ускоряющий обмен данными; чем больше его емкость, тем выше вероятность того, что в кэш-памяти будет необходимая информация, которую не надо считывать с диска (этот процесс в тысячи раз медленней); емкость кэш-буфера в современных винчестерах 8 – 16 МБайт;
–среднее время доступа – время (в миллисекундах), на протяжении которого блок головок смещается с одного цилиндра на другой. У современных винчестеров составляет 5 – 10 миллисекунд;
–время задержки – это время от момента позиционирования блока головок на нужный цилиндр до позицирования конкретной головки на конкретный сектор, другими словами, это время поиска нужного сектора (около 4 мс);
–скорость обмена – определяет объем данных, которые могут быть переданы из накопителя к микропроцессору и в обратном направлении за определенные промежутки времени; максимальное значение этого параметра равно пропускной способности дискового интерфейса и зависит от того, какой режим используется: PIO (Pro-
76
2.5 Устройства хранения информации
grammed I/O) или DMA; в режиме PIO обмен данными между диском и контроллером происходит при непосредственном участии центрального процессора, чем больше номер режима PIO, тем выше скорость обмена; работа в режиме DMA (Direct Memory Access) разрешает передавать данные непосредственно в оперативную память без участия процессора; скорость передачи данных в современных жестких дисках до 300 МБайт/с.
Несмотря на внешнюю простоту и наличие всего двух разъемов – информационного и питания, винчестеры являются очень сложными устройствами, которые требуют бережного и правильного обращения – следует избегать тряски и резкого перемещения работающего винчестера, это может привести к разрушению внутренних механических узлов и повреждению магнитных головок и поверхности дисков.
Современные винчестеры могут безотказно работать более 100 000 часов, система автоматической дефектации (S.M.A.R.T., Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology) незаметно для пользователя заменяет плохие кластеры на резервные (если в BIOS включен режим S.M.A.R.T.). Если на винчестере появляются плохие сектора и их количество постоянно увеличивается, то такой винчестер лучше заменить на новый. В настоящее время на винчестеры производителями устанавливается 1 – 3-летний гарантийный срок.
Винчестеры фирм Seagate и Hitachi объемом 500 Гб состоят из 5 дисков с плотностью записи 100 Гб на диск. Hitachi и Samsung успешно эксплуатируют в своих винчестерах диски объемом 125 Гб. Seagate наряду с WD имеют в составе своих продуктовых линеек винчестеры с плотностью записи 133 Гб на диск.
Лидеры рынка дисков класса 7200/3.5 , компании Seagate, Maxtor и WD, выпускают также внешние жесткие диски, выполненные в отдельном корпусе с блоком питания, интерфейсом USB или IEEE1394
(FireWire).
Некоторые модели выпускаемых в настоящее время винчестеров показаны в таблице 2.8.
Данные таблицы по стоимости единицы хранения информации свидетельствуют, что на текущий момент наиболее выгодным приобретением будет винчестер объемом не менее 2 ТБайт.
77
Глава 2. Аппаратное обеспечение персональных компьютеров
Таблица 2.8. Сравнение стоимости винчестеров (январь 2013 г.)
|
Цена, |
Цена за |
|
Марка жесткого диска |
1 Гб, |
||
руб. |
|||
|
руб. |
||
|
|
||
IDE 320 Gb WESTERN DIGITAL WD3200AAJB (7200rpm) |
2874 |
8.98 |
|
8 Mb |
|||
|
|
||
SATA-II 1.0Tb Hitachi HDS721010CLA332 (7200rpm 32Mb) |
2335 |
2.34 |
|
SATA-III 500.0Gb Seagate Barracuda 7200.12 ST500DM002 |
1894 |
3.79 |
|
(7200rpm 16Mb) |
|||
|
|
||
SATA-III 1.0Tb Seagate Barracuda 7200.12 ST31000524AS |
2740 |
2.74 |
|
(7200rpm 32Mb) |
|||
|
|
||
SATA-III 2.0Tb Seagate Barracuda 7200.14 ST2000DM001 |
3430 |
1.72 |
|
(7200rpm 64Mb) |
|||
|
|
||
SATA-III 3.0Tb Seagate Barracuda 7200.14 ST3000DM001 |
4579 |
1.53 |
|
(7200rpm 64Mb) |
|||
|
|
||
Внешний жесткий диск 3Q Portable Rainbow 2.5" 500Gb |
2185 |
4.37 |
|
3QHDD-U290-PB500 черный, USB 2.0 |
|||
|
|
||
Внешний жесткий диск 3Q Portable Rainbow 2.5" 1,0Tb |
3215 |
3.22 |
|
3QHDD-U290L-BB1000 черный, USB 2.0 |
|||
|
|
2.5.2 Дисководы оптических дисков
Дисковод CD-ROM
В 1995 году в базовой конфигурации ПК появился первый привод оптических дисков – CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory, посто-
янное запоминающее устройство компакт-дисков). Устройство использовало многослойные компакт-диски диаметром 120 мм и толщиной 1,2 мм, емкость диска 650 – 700 МБайт.
CD-диск состоит из 4-х слоев (сверху-вниз):
1)защитный слой из поликарбоната;
2)слой для записи информации;
3)отражающий слой;
4)основа из поликарбоната.
Процесс изготовления диска состоит из операций напылением серебра или золота отражающего слоя на основу, нанесения на него прозрачного слоя для записи информации и выдавливании на нем углублений, образующих спиральную дорожку, идущую от центра диска к его краю. Для штамповки диска используют матрицу-прототип (мастер-диск) будущего
78
2.5 Устройства хранения информации
диска. После этого на поверхность диска наносят защитный слой из прозрачного пластика.
CD-ROM считывает информацию с диска с помощью лазерного луча с длиной волны 780 нм, который по разному отражается от поверхности диска (land – ленд) и углублений на поверхности (pit – пит, см. рисунок 2.16). Минимальный раз мер пита составляет 0,88 мкм, шаг дорожек – 1,5 мкм.
Информация при подготовке к записи на |
|
|
компакт-диске подвергается ряду сложных преоб- |
|
|
разований. Вначале используется помехоустойчи- |
|
|
вое кодирование, затем осуществляется так назы- |
|
|
ваемое канальное кодирование. В компакт-дисках |
|
|
применяется канальный код EFM (Eight to Fourteen |
|
|
Modulation), разработанный фирмой Philips для ла- |
|
|
зерной звукозаписи. Суть канального кодирования |
|
|
EFM заключается в том, что каждый байт инфор- |
Рисунок 2.16. |
|
мации заменяется 14-разрядным словом из специ- |
||
Поверхность CD |
||
альной таблицы преобразования. К полученному |
||
|
таким образом 14-разрядному слову по определённому правилу добавляется ещё три так называемых соединительных разряда. В результате канального кодирования получается непрерывная последовательность бит, причём между двумя единицами никогда не может быть меньше двух или больше десяти нулей.
Именно эта последовательность бит и представлена на компактдиске питами. Причём питы и ленды чередуются в моменты, соответствующие биту, равному 1 (см. рисунок 2.17). Если до этого был, например, ленд, то становится пит, и наоборот. Таким образом, питы и ленды с точки зрения представления информации равнозначны и характеризуют только временные интервалы между двумя единицами в последовательности бит.
100100000010000100000000100010010000000
3t 7t 5t 9t 4t 3t 9t
Рисунок 2.17. Схема преобразования при считывании информации с CD
При считывании информации луч лазера отражается от лендов и попадает в фотоприёмник, от питов свет тоже отражается, но из-за расфо-
79
Глава 2. Аппаратное обеспечение персональных компьютеров
кусировки луча в фотоприёмник не попадает. Далее высокочастотный информационный сигнал преобразуется компаратором в последовательность прямоугольных импульсов. Длительность каждого из полученных таким способом прямоугольных импульсов преобразуется в двоичный код. Каждые 14 последовательных битов декодируются в соответствии с таблицей кодирования EFM, соединительные разряды при этом отбрасываются.
Система кодирования обеспечивает также работу системы автослежения (автотрекинга), которой оснащены все приводы CD-ROM. Размеры каждого пита очень малы – порядка 0,6 мкм, а шаг спирали - всего 1,6 мкм. Назначение системы автослежения – точное позиционирование считывающей головки. Слежение осуществляется за дорожкой с данными по расположенным на ней питам, для нормальной работы системы питы не должны отсутствовать более 10 периодов тактовой частоты, что и обеспечивается системой кодирования.
Вторая задача, которая возникает при считывании информации с компакт-диска, – точное выделение временных интервалов, соответствующих периоду следования символов последовательного кода. Поддерживать скорость вращения диска с требуемой точностью практически невозможно. Поэтому для решения этой задачи временные интервалы определяются путем подстройки частоты тактового генератора под реальную скорость поступления информации с помощью инерционной системы автоподстройки, что опять-таки возможно выполнить благодаря использованию канального кода EFM при записи.
Дисковод CD-ROM содержит:
–электродвигатель, который вращает диск;
–оптическую систему, состоящую из лазерного излучателя, оптических линз и датчиков и предназначенную для считывания информации с поверхности диска;
–микропроцессор, который руководит механикой привода, оптической системой и декодирует прочитанную информацию в двоичный код.
Основные характеристики CD-ROM:
–скорость передачи данных – измеряется в кратных долях скорости проигрывателя аудио компакт-дисков (150 Кбайт/сек) и характеризует максимальную скорость с которой накопитель пересылает данные в оперативную память компьютера, например, 2-скоростной CD-ROM (2x CD-ROM) будет считывать данные с скоростью 300 Кбайт/сек., 50скоростной (50x) - 7500 Кбайт/сек.;
–время доступа – время, нужное для поиска информации на диске, измеряется в миллисекундах.
80