3. Внешние устройства эвм: физические принципы и характеристики

Внешние (или, по другому, периферийные) устройства ЭВМ прошли огромный путь в своем развитии. Существуй машина времени, инженеры-конструкторы и пользователи ЭВМ 1950-х гг., увидев принтер, вряд ли поверили бы, что этот миниатюрный настольный аппарат может делать гораздо больше, чем его предок ростом с человека – АЦПУ (автоматическое цифровое печатающее устройство), и вообще не поняли бы, чем занимается сканер или мышь. Возможности компьютера в значительной степени определяются номенклатурой и производительностью внешних устройств.

Внешние запоминающие устройства. ВЗУ обеспечивают долговременное хранение программ и данных. Наиболее распространены следующие типы ВЗУ: накопители на магнитных дисках (НМД); их разновидности – накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД); накопители на магнитных лентах (НМЛ); накопители на оптических дисках (НОД).

Соответственно, физическими носителями информации, с которыми работают эти устройства, являются магнитные диски (МД), магнитные ленты (МЛ) и оптические диски (ОД).

Принцип записи информации на магнитных носителях основан на изменении намагниченности отдельных участков магнитного слоя носителя (диска, ленты).

Запись осуществляется с помощью магнитной головки: электрические сигналы, возникающие под управлением электронного блока, возбуждают в ней магнитное поле, воздействующее на носитель и оставляющее намагниченные участки на заранее размеченных дорожках.

При считывании информации эти намагниченные участки индуцируют в магнитной головке слабые токи, которые превращаются в двоичный код, соответствующий ранее записанному.

Накопители на магнитных дисках включают в себя ряд систем:

• электромеханический привод, обеспечивающий вращение диска;

• блок магнитных головок для чтения-записи;

• системы установки (позиционирования) магнитных головок в нужное для записи или чтения положение;

• электронный блок управления и кодирования сигналов.

НГМД – устройство со сменными дисками (их часто называют дискетами). Несмотря на относительно невысокую информационную емкость дискеты, НГМД продолжают играть важную роль в качестве ВЗУ, поскольку поддерживают ряд функций, которые не обеспечивают другие накопители. Среди них отметим:

• возможность транспортировки информации на любые расстояния;

• обеспечение конфиденциальности информации (дискету можно положить в карман сразу после окончания сеанса работы).

Дискета – гибкий тонкий пластиковый диск с нанесенным (чаще всего на обе стороны) магнитным покрытием, заключенный в достаточно твердый (картонный или пластиковый) конверт для предохранения от механических повреждений. Информация на диск наносится вдоль концентрических окружностей – дорожек. Каждая дорожка разбита на несколько секторов (обычно 9 или 18) – минимально возможных адресуемых участков. Стандартная емкость сектора – 512 байт. На двухсторонней дискете две одинаковые дорожки по обе стороны диска образуют цилиндр. Процедура разметки нового диска – нанесение секторов и дорожек – называется форматированием. Иногда приходится прибегать к переформатированию диска, на котором уже есть информация; последняя в таком случае практически обречена на уничтожение.

Тип дискеты обычно указывается на ее конверте:

DS (double side) – двухсторонняя;

DD (double density) – двойной плотности;

HD(highdensity) – высокой плотности.

Возможны сочетания типа DS/DD,DS/HDи др.

Стандартные размеры (диаметры) дискет 133 мм (5,25 дюймовые практически вышли из эксплуатации) и 89 мм (3,5 дюйма). Появились, но пока не получили широкого распространения, дискеты диаметром 51 мм.

Важнейшая, с точки зрения пользователя, характеристика дискеты – информационная емкость. Чаще всего она находится в диапазоне от 1 до 1,5 Мбайт, хотя созданы дискеты с емкостью до 10 Мбайт. Другие важнейшие характеристики – скорость доступа к определенному участку информации и скорость записи или считывания информации – определяются не столько самой дискетой, сколько возможностями НГМД. Доступ к информации осуществляется за время в диапазоне от 0,1 до 1 с (что очень велико по сравнению с другими типами дисководов), скорость чтения/записи порядка 50 Кбайт/с, что по современным представлениям весьма немного.

Жесткий диск сделан из сплава на основе алюминия и также покрыт магнитным слоем. Он помещен в неразборный корпус, встроенный в системный блок компьютера. По всем профессиональным характеристикам жесткие диски (и соответствующие накопители) значительно превосходят гибкие: емкость от 20 Мбайт до 260 Гбайт (реально диски с емкостью меньшей, чем 1 Гбайт, давно не выпускаются), время доступа к конкретной записи в диапазоне от 1 до 100 мс (миллисекунд), скорость чтения/записи порядка 1 Мбайта/с. Однако жесткий диск не предназначен для транспортировки информации, и это не позволило накопителям на жестких дисках вытеснить НГМД.

Накопители на жестких дисках объединяют в одном корпусе носитель и устройство чтения/записи, а также, нередко, и контроллер жесткого диска. Типичной конструкцией жесткого диска является исполнение в виде одного устройства – камеры, внутри которой находится один или более дисков, нанизанных на один шпиндель, и блок головок чтения/записи с их общим приводящим механизмом. Герметичная камера предохраняет носители не только от проникновения механических частиц пыли, но и от воздействия электромагнитных полей. Воздух внутри камеры максимально очищен от пыли, так как малейшие частички могут привести к порче магнитного покрытия дисков и потере работоспособности устройства.

Диски вращаются постоянно, а скорость вращения носителей довольно высокая (от 4500 до 10 000 об/мин), что обеспечивает высокую скорость чтения/записи. По величине диаметра носителя чаще других производятся 5,25; 3,14; 2,3 дюймовые диски.

Среди множества технических характеристик, отличающих одну модель накопителя от другой, можно выделить некоторые, наиболее важные с точки зрения пользователей.

• Число поверхностей определяет количество физических дисков, нанизанных на шпиндель. Выпускаются накопители с числом поверхностей от 1 до 8 и более. Число поверхностей прямо определяет физический объем накопителя и скорость обработки операций на одном цилиндре. Более быстрыми являются накопители с большим числом поверхностей.

• Частота вращения шпинделя определяет, сколько времени будет затрачено на последовательное считывание одной дорожки или цилиндра. Для дисков емкостью до 1 Гбайта она обычно равна 5400 об/мин, а у более вместительных достигает 7200 и 10 000 об/мин.

• Время перехода от одной дорожки к другой обычно составляет от 3,5 до 5 мс, а у самых быстрых моделей может быть от 0,6 до 1 мс. Этот показатель является одним из определяющих быстродействие накопителя, так как именно переход с дорожки на дорожку является самым длительным процессом в серии процессов произвольного чтения/записи на дисковом устройстве.

• Среднее время установки или поиска – усредненный результат большого числа операций позиционирования на разные цилиндры. Среднее время поиска имеет тенденцию уменьшаться с увеличением емкости накопителя, так как повышается плотность записи и увеличивается число поверхностей. Для дисков емкостью свыше 1 Гбайта оно составляет от 7 до 10 мс. Среднее время поиска является одним из важнейших показателей оценки производительности накопителей.

• Среднее время ожидания – усредненное значение времени, необходимого для прохода нужного сектора к головке. После успокоения головок на требуемом цилиндре контроллер ищет нужный сектор. Это время у дисков свыше гигабайта – около 4 мс.

• Среднее время доступа к данным – время, проходящее с момента получения запроса на операцию чтения/записи от контроллера до физического осуществления операции. Для современных накопителей оно лежит в диапазоне от 10 до 18 мс и используется как базовый показатель при сравнительной оценке скорости накопителей различных производителей.

• Среднее время наработки на отказ определяет, сколько времени способен проработать накопитель без сбоев. Способ его нахождения нестандартизирован, чем и пользуются фирмы-производители для рекламы своей продукции. Относиться к их утверждениям нужно с большой осторожностью.

Приведем конкретный пример. Жесткие диски Caviarсо скоростью вращения 7200 об/мин представлены четырьмя моделями. Одна из них выполнена на пластинах емкостью 10 Гбайт. При объеме 20,5 Гбайт этот диск имеет кэш-буфер объемом 2 Мбайт и среднее время поиска 8,9 мс. Три другие модели (20, 30 и 40 Гбайт) выполнены на пластинах емкостью 20 Гбайт. ВинчестерыCaviarсо скоростью вращения шпинделя 5400 об/мин представлены девятью моделями объемом от 4,3 до 45 Гбайт. Они имеют среднее время поиска 9,5 мс и кэш-буфер объемом 2 Мбайт.

Магнитные накопители для резервного копирования данных помогают решить проблему надежного сохранения информации, знакомую каждому пользователю. Данные на винчестере могут быть повреждены и навсегда утрачены по множеству причин. Всякий пользователь задумывается о том, как минимизировать последствия этого несчастья (иногда, к сожалению, уже после того, как оно совершилось).

Обычные гибкие диски с их ничтожной (по сравнению с емкостью винчестера) информационной емкостью для резервного копирования данных для серьезного пользователя не подходят. Популярными являются устройства двух типов: резервные накопители на магнитных дисках и на магнитных лентах (не считая оптических накопителей). При этом быстродействие устройства не является критическим показателем, поскольку операция резервного копирования осуществляется редко.

Популярным резервным накопителем на магнитных дисках является устройствоZipфирмыIomega. Эти накопители используют специальные 3,5 дюймовые диски емкостью до 250 Мбайт. КонструктивноZipявляется автономным устройством, подключаемым к компьютеру по мере необходимости через параллельный порт. Если переносимые наZip-диск данные предварительно заархивировать, то емкость диска оказывается для большинства пользователей вполне достаточной.

Большой путь в своем развитии прошли накопители на магнитных лентах. На начальном этапе развития вычислительной техники кроме них надежных накопителей информации большой емкости вообще не было. По мере развития ЭВМ НМЛ оттеснялись на периферию в списке ВЗУ, но определенное место занимают и по сей день (хотя пользователям персональных компьютеров это не очень заметно). Ясно, что по скорости доступа к информации НМЛ всегда будут многократно проигрывать дисковым накопителям – ведь для того чтобы считать информацию на некотором месте ленты, необходимо отмотать предшествующий ей кусок с начала. Однако по-прежнему на лентах хранят большие объемы информации, которая не является оперативной, но требует очень надежного хранения, а также конфиденциальности.

Представление о современном интеллектуальном ленточном накопителе для записи цифровой информации может дать устройство SuperDigitalLinearTape(начало выпуска 2002 г.). Оно позволяет хранить 320 Гбайт данных, производя автоматически их сжатие при записи, и передавать данные со скоростью 16 Мбайт/с. При таких возможностях давно делавшиеся предсказания о конце века ленточных накопителей так и не сбылись.

Первые накопители на оптических дисках появились в начале 1970-х гг., но широкое распространение получили значительно позже. Существует несколько разновидностей таких накопителей:

• для оптических дисков, допускающих только чтение однократно записанной в заводских условиях информации (CD-ROM);

• для дисков, допускающих хотя бы однократную запись информации на рабочем месте пользователя (CD-R);

• для дисков, позволяющих многократную перезапись информации (CD-RW).

Важной характеристикой накопителя для CD-ROM-дисков является скорость передачи данных. Стандартная скорость составляет 150 Кбайт/с, но это для современных компьютеров и многих программ (особенно мультимедийных) мало, и выпускаются накопители со скоростями, кратными указанной (кратность составляет от двух до ста). Так, популярный в настоящее время 32-х скоростнойCD-ROM-накопитель обеспечивает скорость передачи данных 32 х 150 Мбайт/с. Тем не менее, даже лучшиеCD-ROM-накопители уступают в скорости передачи данных современным жестким дискам (до 20 Мбайт/с). Другая важная характеристика – среднее время доступа к данным – составляет для 32-х скоростного накопителя' 85 мс, что также намного хуже, чем у жестких дисков (практически в 10 раз).

CD-ROM-диск (CompactDiskReedOnlyMemory– компакт-диск только для чтения) представляет собой прозрачную поликарбонатную (вид стекла) пластинку, одна сторона которой покрыта тончайшей алюминиевой пленкой, играющей роль зеркального отражателя, поверх которой нанесен защитный слой лака. Информация на ней представляется подобно тому, как на старых граммофонных пластинках – чередованием углублений и пиков, но не в аналоговом, а в цифровом (двоичном) коде. Этот рельеф создается при производстве механическим путем (контактом с твердой пластинкой – матрицей). Информация наносится вдоль тончайших дорожек (радиальная плотность записи более 6000 дорожек/см, что в несколько десятков раз больше, чем для гибкого магнитного диска). Считывание информации осуществляется путем сканирования дорожек лазерным лучом, который по-разному отражается от углублений и пиков (по этому отражению восстанавливается записанный двоичный код); этот луч пробегает со скоростью 200– 500 раз в мин вдоль дорожек оптического диска. Стандартная информационная емкостьCD-ROM-диска равна 650 Мбайт.

С появлением записывающих оптических накопителей возможности использованияCD-ROM-дисков значительно возросли. Различают пишущие накопители двух типов:CD-R (CompactDiscReCordable) иCD-RW (CompactDiscRewritable). Первый позволяет вести однократную запись прямо с персонального компьютера, второй – многократную, со стиранием предшествующей. Разумеется, физически и те, и другие диски устроены не так, какCD-ROM. Диски дляCD-Rи дляCD-RW(а они разные) не имеют физического рельефа; вместо него – физически идеально ровная поверхность, на которой «рельеф» создан путем нагрева лазерным лучом смеси лака и тончайшей золотой пленки. При чтении с помощью отраженного лазерного луча этот «рельеф» воспринимается так же, как механические бороздки наCD-ROM-диске, и поэтомуCD-ROM-накопитель позволяет читать эти диски. УстройстваCD-Rгораздо дешевле, чемCD-RW.

Выше говорилось о проблеме резервного копирования информации. В настоящее время все более популярным устройством для этого становится накопитель CD-R. По долговечности хранения информация, записанная на оптическом диске, намного превосходит информацию, записанную на любом магнитном носителе.

Относительно малая информационная емкость оптических дисков является во многих случаях препятствием для их использования. Будущее в этой сфере за DVD-дисками (DigitalVersatileDisc). СтандартныйDVD-диск имеет емкость 4,7 Гбайт, что достаточно для хранения полнометражного фильма с трехканальным звуковым сопровождением; существуют иDVD-диски емкостью в несколько раз большей. Увеличение емкости достигается за счет многослойности самого диска, использования лазеров с меньшей длиной волны (что позволяет сокращать размеры элементов записи на диске), специальных программ сжатия информации и т.д.

Кроме указанных выше дисков, многократную перезапись позволяют вести CD-МО диски (магнитооптические диски). В основу положен следующий физический принцип: коэффициент отражения лазерного луча от по-разному намагниченных участков диска с особым образом нанесенным магнитным покрытием различен. Таким образом, запись наCD-MO-диски выполняется лазерным лучом и магнитным полем, считывание – лазерным лучом, стирание информации – также лазерным лучом, разрушающим магнитную запись за счет нагрева соответствующего участка диска.

И наконец, в ряду ВЗУ нельзя не упомянуть совсем недавно, в 2001г., появившиеся и уже сделавшиеся очень популярными устройства Flash-памяти (флеш-накопители). Эти энергонезависимые полупроводниковые запоминающие устройства в настоящий момент (2004г.) достигли скорости записи/чтения до 1 Мбайта/с и информационной емкости до 1 Гбайта. Такие характеристики и малые размеры дают им все шансы на вытеснение дискет и делают реальными соперникамиCD-дисков.

Все вместе взятое и определяет место НОД в современном мире информационных технологий: от очень важных, но все-таки факультативных устройств они становятся обязательной принадлежностью компьютеров. По мере снижения стоимости оборудования оптические диски могут вытеснить гибкие магнитные диски (ГМД), так как, обладая значительно превосходящими профессиональными характеристиками, обеспечивают все функции ГМД. Заметим, что ситуация в этой области меняется чрезвычайно быстро.