4.3. Внешние запоминающие устройства

Как уже отмечалось, данные, содержащиеся в оперативной памяти компьютера, не сохраняются при выключении электропитания. Уже в самых первых компьютерах возникла необходимость долговременного хранения данных. Для этого использовались перфокарты и перфоленты, затем магнитные ленты и магнитные барабаны. В настоящее время для долговременного хранения данных используются магнитные и лазерные диски. Устройства для чтения и записи на такие диски называются устройствами внешней памяти. Любой персональный компьютер включает сменные накопители и постоянные накопители для пакетов жестких магнитных дисков (НМД). В сменных накопителях диск можно менять. Различают сменный накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД), сменный накопитель для жесткого диска и устройство для работы с лазерными дисками {CD-ROM).

В запоминающих устройствах на магнитных дисках информация записывается на вращающихся дисках, покрытых магнитным материалом. Несколько дисков составляют пакет дисков. Поверхность диска разбита на концентрические круги — дорожки. Совокупность дорожек одного радиуса на всех дисках пакета называется цилиндром. Информация записывается на участках поверхности диска, расположенных на пересечении радиусов диска и дорожек, по принципу: «намагничено» — 1, «не намагничено» — 0. Вес дорожки имеют одинаковую емкость (содержат одинаковое число бит) и делятся на блоки данных, называемые секторами. Размер сектора на разных дисках может быть равным 512, 1024 или 2048 байтов. Количество секторов, записываемых на одну дорожку, зависит от физических размеров пластины и плотности записи.

Для чтения или записи информации на магнитном диске используется комплекс магнитных головок, которые одновременно перемещаются по радиальной оси к центру или от центра диска, останавливаясь над определенным цилиндром пакета диска. Данные на каждой дорожке цилиндра просматриваются последовательно по мерс вращения диска.

Сменный накопитель на магнитных дисках предназначен для одной магнитной дискеты. Сменные магнитные дискеты могут быть гибкими (флоппи-дисками) или жесткими. Дискеты позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, не используемую постоянно на компьютере, делать архивные копии информации, содержащейся на жестком диске.

В лазерных дисковых накопителях используется оптический способ кодирования информации. Как и магнитные, лазерные диски также разбиты на дорожки, однако запись единицы на дорожку диска производится за счет изменения отражающих свойств поверхности. Наиболее употребительны лазерные диски, основанные на механическом изменении рельефа дорожки. Лучлазера направляется на дорожку, проникает сквозь защитный слой пластика и попадает на отражающий слой алюминия на поверхности диска. При попадании луча на выступ он отражается на детектор и проходит через призму, отклоняющую его на светочувствительный диод. Если луч попадает в ямку, он рассеивается и лишь малая часть излучения отражается обратно и доходит до светочувствительного диода. На диоде световые импульсы преобразуются в электрические, при этом яркий луч преобразуется в нули, слабый — в единицы. Таким образом, ямки воспринимаются дисководом как нули, а гладкая поверхность — как единицы. Существуют разные типы лазерных накопителей.

Оптические устройства хранения данных используют для считывания или записи данных лазерный луч. Рассмотрим различные типы оптических носителей данных.

1) CD (оптический Compact Disk). Обычно используют одно и то же обозначение и для устройства чтения/записи и для самих съемных носителей. Различают CD ROM (CD Read Only Memory – не перезаписываемый носитель), CD-R (CD-Recordable, однократно записываемый носитель), CD-RW (CD- ReWritable, многократно перезаписываемый носитель). Оптический носитель, на который записываются данные, представляет собой съемный диск, состоящий из 2-х плотно соединенных пластиковых дисков с тонким оптическим информационным слоем между ними. На информационном слое располагается спиральная дорожка, состоящая из чередующихся темных (поглощающих свет) и светлых (отражающих свет) точек. Каждая такая точка представляет 1 бит данных.

Тип CD зависит от способа реализации информационного оптического слоя.

В промышленно выпускаемых CD ROM темные точки представляют собой выемки (питы) глубиной около 1 мкм, в одном из двух соединенных пластиковых дисков. На этот (перфорированный) диск наносится тонкий слой отражающего металла (алюминия или золота).

В CD-R и CD-RW отражатель наносится на неперфорированный диск, а между ним и вторым диском помещается тонкий (около 1 мкм) слой специального светочувствительного вещества. В CD-R используется прозрачное вещество, темнеющее под воздействием мощного лазерного луча. В CD-RW используется вещество, имеющее 2 кристаллических состояния 1-прозрачное, 2-непрозрачное, под воздействием мощного лазерного луча происходит переход из 1-го состояние во 2-е и обратно. Количество циклов перезаписи RW-диска ограничено. Следует также отметить, что диски CD-RW читаются не на всех устройствах CD-ROM

В процессе работы (при считывании и записи данных) оптический диск раскручивается до угловой скорости около 10000 об/мин. Считывание данных происходит при помощи радиально перемещающейся оптической головки, содержащей маломощный лазер, освещающий диск, и датчик, анализирующий отраженный луч, и таким образом, распознающий темные и светлые точки. Запись данных происходит аналогично, но при этом используется гораздо более мощный лазер.

Стандартным считается CD-диск диаметра 5,25” (около 13 см). Емкость таких дисков составляет 600-800 МБ. Есть и диски меньшего диаметра и, соответственно меньшего объема. Скорость обмена данными с CD диском измеряется (так исторически сложилось) по отношению к скорости 150 кБ/с. Например, скорость 50х означает на самом деле скорость 150 кБ/с 50 = 7,5 МБ/с. В стандартных CD – дисководах скорость чтения составляет 52х, а скорость записи (для CD-R и CD-RW) обычно не превышает 8х.

Привод CD располагается в системном блоке компьютера и подключается к материнской плате через интерфейс IDE.

2) DVD (Digital Video Disk или Digital Versatile Disk). В DVD используются те же физические принципы записи и чтения данных, что и в CD, но по сравнению с CD, формат DVD значительно усовершенствован. Можно выделить следующие преимущества DVD по сравнению с CD.

• более высокая плотность записи данных за счет меньшего расстояния между питами;

• возможность использования 2-х информационных слоев (1-й – полупрозрачный);

• возможность двухсторонней записи;

• встроенная возможность защиты данных от несанкционированного использования и копирования.

Выпускаются следующие типы DVD дисков.

• DVD-5 - односторонний однослойный диск емкостью 4,7 Гб;

• DVD-9 - односторонний двухслойный диск емкостью 8,5 Гб;

• DVD-10 - двухсторонний однослойный диск емкостью 9,4 Гб;

• DVD-14 - двухсторонний диск: на одной стороне - один слой, на другой - два; емкость - 13,2 Гб;

• DVD-18 - двухсторонний двухслойный диск емкостью 17 Гб.

Наиболее распространенные типы DVD-5 и DVD-10. Остальные значительно дороже, поэтому встречаются сравнительно редко.

По внешнему виду CD-диски и DVD-диски почти не отличаются. Любое устройство чтения DVD читает также и CD-диски.

Запись на DVD также происходит аналогично записи на CD. Однако необходимо отметить одну особенность. Есть устройства, способные записывать только однослойные DVD диски (обозначаются DVD-R, DVD-RW), а есть устройства, способные записывать и двухслойные диски (обозначаются DVD+R, DVD+RW). Если устройство может перезаписывать диски RW, то оно способно и записывать диски R (но не наоборот). Кроме стандартов DVD-R, DWD-RW, DVD+R, DVD+RV существует еще один несовместимый с ними стандарт DVD-RAM (DVD-Random Access Memory). Диски DVD-RAM несовместимы с другими DVD-устройствами, но зато такие диски можно перезаписать намного больше раз, чем DVD-RW и DVD+RW - не менее 100000 раз. Информация на DVD-RAM может храниться до 30 лет.

Подключаются DVD-приводы так же как и CD-приводы, причем любой DVD-привод может читать и CD-диски.

Дальнейшее развитие оптических носителей данных ожидается в виде появления форматов HD-DVD, Blue-Ray и EVD. В HD-DVD плотность записи составляет 15 ГБ на один слой. В Blue-Ray емкость оптического диска увеличивается до 30 ГБ на слой за счет использования коротковолнового (синего) лазера. Стандарт EVD разработан в Китае и рассчитан только для видео.

Электронные устройства в качестве сменных носителей данных появились сравнительно недавно, но за очень короткое время 3-4 года заняли значительную часть рынка. Это объясняется явными потребительскими преимуществами таких устройств – малыми размерами, отсутствием движущихся частей, высоким быстродействием и т.д. Подавляющее число этих устройств строится на использовании элементов флэш-памяти.

Флэш-память - особый вид энергонезависимой (не требующей энергии для хранения данных) перезаписываемой полупроводниковой памяти.

Ячейка флэш-памяти, не относится к двум, рассмотренным ранее типам ячеек RAM, она представляет третий тип, и состоит из одного полевого транзистора или из двух полевых транзисторов с особой электрически изолированной областью – плавающим затвором (floating gate), способным хранить заряд до нескольких лет. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации. Существуют ячейки флэш-памяти, хранящие более одного бита данных. Флэш-память не может использоваться в RAM по двум причинам: флэш-память работает существенно медленнее SRAM и DRAM и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разных типов).

Благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в качестве накопителя в любых малогабаритных электронных устройствах

Существуют несколько типов накопителей на основе флэш-памяти.

1) USB флэш накопители – миниатюрные устройства емкостью от 64 МБ до нескольких ГБ, подключающиеся к компьютеру через интерфейс USB. Размеры такого устройства не превышают размеры небольшого брелка. USB флэш-накопитель очень удобен для хранения и транспортировки небольших и средних объемов данных, он, например, позволяет, постоянно иметь при себе всю наиболее ценную информацию.

2) Флэш-карты – миниатюрные носители данных, размеры которых по длине и ширине не превышают 2-3 см, а толщина – 1-2 мм. Существуют различный типы флэш-карт, например, CF(Compact Fllash), CD(Secure Digital) и др. Объем памяти у флэш-карт находится в пределах от 16 МБ до нескольких ГБ, скорость обмена данными от 1 МБ/с до 20 МБ/с . Флэш-карты используются в таких портативных устройствах, как: цифровые фото- и видео камеры, сотовые телефоны, портативные компьютеры, MP3-плееры, цифровые диктофоны, и т.п. Для использования флэш-карт с настольным ПК, к нему подключается специальное устройство – Card Reader. Обычно занести данные в компьютер с флэш-карты, установленной в цифровом фотоаппарате, MP3- плеере и в других подобных устройствах, можно и непосредственно – через USB - порт.

Магнитооптические устройства (МО) появились в результате объединения двух технологий - лазерной и магнитной. В МО для размагничивания доменов ферромагнитного покрытия используется лазер, а для намагничивания и считывания – магнитная головка. Преимуществом магнитооптических дисков является сравнительно большой объем (1 – 3 ГБ) при диаметре 3,5” (как у обычной дискеты). Устройства магнитооптической записи являются весьма дорогими, что сдерживает их широкое распространение. В настоящее время такие устройства вытесняются оптическими и электронными носителями.

Очень редко теперь используются накопители на магнитной ленте (стримеры). По принципу действия эти устройства напоминают бытовые магнитофоны. Чаще всего стримеры используются -для резервного копирования содержимого жесткого диска, что позволяет избежать потери данных при его выходе из строя. Самые хорошие стримеры позволяют записать на одну кассету с магнитной лентой до 2 Гб информации, однако из-за высокой стоимости таких стримеров больше распространены стримеры рассчитанными на запись 150-250 Мб данных.

Постоянный накопитель на жестких магнитных дисках (винчестер) представляет собой набор дисков, магнитных головок, кареток, линейных двигателей, заключенных в воздухонепроницаемый корпус, и управляющих электронных схем. Диски с магнитным покрытием вращаются на общем валу. Для записи данных используются обе поверхности дисков. Вал постоянно вращается с высокой скоростью (обычно 3600-7200 оборотов в минуту). Данные записываются или считываются с помощью головок записи/считывания, по одной на каждую поверхность каждого диска. Специальный двигатель на каретке позиционирует головку над заданной дорожкой.

Производительность запоминающего устройства на магнитных дисках характеризуется тремя основными параметрами: временем доступа, временем ожидания и временем передачи данных. Время доступа — это время, необходимое для позиционирования головок на дорожку, содержащую искомые данные. Оно зависит от начального ускорения головки (порядка 6 мс) и числа дорожек, которые необходимо пересечь на пути к искомой дорожке. Среднее время перемещения головки между двумя случайно выбранными дорожками — 10-20 мс. Время перехода с дорожки на дорожку меньше 10 мс и обычно составляет 2 мс.

Временем ожидания называется среднее время оборота диска до появления под головкой диска нужного сектора. После этого данные могут быть записаны или считаны. Для современных дисков время полного оборота 8—16 мс, а среднее время ожидания 4-8 мс.

Время передачи данных, т.е. время, необходимое для физической передачи байтов, зависит от числа передаваемых байтов (размера блока), скорости вращения, плотности записи на дорожке и скорости электроники. Типичная скорость передачи равна 1-4 Мб/с.

Операция ввода-вывода активизируется текущей командой программы или запросом от периферийного устройства ввода-вывода. При программном управлении передачей данных процессор «отвлекается» от выполнения основной программы на все время операции ввода-вывода — следовательно, снижается производительность компьютера. Для ввода блока данных необходимо слишком много операций, таких, как преобразование форматов, адресация в памяти, определение начала и конца блока данных. В результате скорость передачи данных снижается.

Более выгоден обмен данными с использованием прямого доступа к памяти (Direct Memory Access — DMA), когда процессор освобождается от участия в передаче данных и может параллельно выполнять основную программу. Специальное устройство берет на себя управление обменом данных между оперативной памятью и внешними устройствами. Инициатором обмена данными в этом случае является периферийное устройство, которое посылает запрос на устройство DMA. Последнее, получив предварительно от процессора сигнал подтверждения, посылает в память сигнал чтения или записи и определяет ячейку памяти, с которой начнется обмен данными. Далее происходит обмен данными между оперативной памятью и внешним устройством.