2.3.4. Внешние запоминающие устройства

Устройства внешней памяти или, иначе, внешние запоминающие устройства весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков: по виду носителя, типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, методу доступа и т.д. Один из возможных вариантов классификации ВЗУ приведен на рис. 2.6.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) – это электромеханические запоминающие устройства, которые характеризуются большим объемом хранимой информации и низким (по сравнению с электронной памятью) быстродействием. К ВЗУ относятся накопители на магнитной ленте (НМЛ), накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), накопители на оптических дисках (НОД) и др.

Рис. 2.6. Классификация ВЗУ

Носитель информации – это материальный объект, способный хранить информацию. Например, в первых ЭВМ носителями информации являлись бумажные ленты и карты, на которых были пробиты (перфорированы) отверстия.

При магнитной записи информации с помощью записывающей головки происходит изменение магнитной индукции носителя. Носитель изготавливают из ферромагнитного материала. Располагается носитель на подложке, в качестве которой может выступать пластмассовая пленка, металлические или стеклянные диски.

Ток, протекающий по обмотке записывающей головки, создает в сердечнике (магнитопроводе) магнитный поток. Через узкий зазор в сердечнике магнитный поток намагничивает носитель в одном из двух направлений, что зависит от направления протекающего по обмотке тока. Разные направления намагниченности носителя соответствуют логическому нулю или логической единице. Таким образом, записывающая головка – это маленькие электромагниты, которые своим электромагнитным полем изменяют ориентацию магнитных доменов в носителе в зависимости от полярности протекающего в обмотке тока.

При считывании информации с ленты или диска движущийся намагниченный носитель индуцирует в считывающей головке электродвижущую силу. Полярность возникающего на обмотке напряжения зависит от направления намагниченности носителя.

Накопители на магнитных дисках включают в себя ряд систем:

• элекромеханический привод, обеспечивающий вращение диска;

• блок магнитных головок для чтения и записи;

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

• электронный блок управления и кодирования сигналов.

Дискета – гибкий пластиковый диск с нанесенным на обе стороны магнитным покрытием, заключенный в достаточно твердый пластиковый конверт для предохранения от механических повреждений. Информация на диск наносится вдоль концентрических окружностей (рис. 2.7) – дорожек.

Каждая дорожка разбита на несколько секторов (обычно 18) – минимально возможных адресуемых участков. Стандартная емкость сектора – 512 байт.

Рис. 2.7. Логическая структура поверхности магнитного диска

Процедура разметки нового диска – нанесение секторов и дорожек – называется форматированием. Одноименные сектора обеих поверхностей образуют кластеры. В центре дискеты имеется приспособление для захвата и обеспечения вращения диска внутри пластмассового корпуса. Дискета вставляется в дисковод, который вращается с постоянной угловой скоростью. Магнитные головки примыкают к обеим поверхностям и при вращении диска проходят мимо всех кластеров дорожки. Перемещение головок по радиусу с помощью шагового двигателя обеспечивает доступ к каждой дорожке. Запись/чтение осуществляется целым числом кластеров, обычно под управлением операционной системы.

Для дискет формата 3,5’’ максимальная емкость составляет 2,88 Мб, самый распространенный формат емкости для них – 1,44 Мб.

В целях сохранения информации гибкие магнитные диски необходимо предохранять от воздействия сильных магнитных полей и нагревания, так как такие воздействия могут привести к размагничиванию носителя и потере информации.

Накопителем на гибких дисках является дисковод ZIP фирмы Iomega. Накопитель подобен дискете по принципу действия, (но емкостью около 100 Мб) и вставляется в специальный диско-вод. Носитель информации имеет гибкую основу, сам накопитель использует эффект Бернулли.

Основная идея такого накопителя заключается в следующем. Воздушные потоки, возни-кающие вследствие вращения гибкого диска, вызывают изгиб части поверхности диска, находя-щейся под головкой. Однако диск не соприкасается с головкой, и между ними остается неболь-шой, достаточно стабильный зазор, который обеспечивается потоками воздуха. Этот эффект поз-воляет использовать более плотную запись информации.

Жесткий магнитный диск (винчестер, HDD – Hard Disk Drive) –накопитель, предназначенный для долговременного хранения всей имеющейся в компьютере информации. Операционная система, постоянно используемые программы загружаются с жесткого диска, на нем хранится большинство документов. Жесткий диск является несменным носителем.

Жесткий диск представляет собой герметичную коробочку (рис. 2.8), внутри которой спрятано несколько дисков, покрытых магнитным слоем. Над ними очень быстро движутся несколько головок чтения-записи.

Рис. 2.8. Жесткий диск

Винчестер содержит набор пластин, представляющих собой чаще всего металлические диски, покрытые магнитным материалом (гамма-феррит-оксид, феррит бария, окись хрома и т.п.) и соединенные между собой при помощи шпинделя (вала, оси). Жесткие диски изготавливаются из алюминия, латуни, керамики или стекла. Для записи данных используются обе поверхности дисков. Шпиндель вращается с высокой постоянной скоростью ( 8000 оборотов в минуту). Вращение головок осуществляется с помощью двух электродвигателей. Данные записываются или считываются с помощью головок записи и считывания, по одной на каждую поверхность диска. На рис. 2.9 для упрощения показаны головки, расположенные только с одной стороны диска.

Головки

Диски

Шпиндель

Кронштейн

Рис. 2.9. Устройство жесткого диска

Запись информации на диск ведется по строго определенным местам – концентрическим дорожкам (трекам). Дорожки, как и в случае гибких дисков, делятся на сектора. Специальный двигатель с помощью кронштейна позиционирует головку над заданной дорожкой (перемещает ее в радиальном направлении). При повороте диска головка располагается над нужным сектором. Очевидно, что все головки перемещаются одновременно и считывают информацию с одинаковых дорожек разных дисков. Дорожки винчестера с одинаковыми порядковыми номерами, расположенные на разных дисках, называются цилиндром.

Внутренняя полость винчестера заполняется очищенным от пыли воздухом, а внутри корпуса поддерживается атмосферное давление. При вращении диски создают сильный поток воздуха, который постоянно очищается фильтром.

Основные параметры жесткого диска.

• Емкость – винчестер имеет объем от 40 Гб до 200 Гб и более.

• Скорость чтения данных. Средний сегодняшний показатель – около 8 Мбайт/с.

• Среднее время доступа. Измеряется в миллисекундах и обозначает то время, которое необходимо диску для доступа к любому выбранному вами участку. Средний показатель – 9 мс.

• Скорость вращения диска. Показатель, напрямую связанный со скоростью доступа и скоростью чтения данных. Скорость вращения жесткого диска в основном влияет на сокращение среднего времени доступа (поиска). Повышение общей производительности особенно заметно при выборке большого числа файлов.

• Размер кэш-памяти – быстрой буферной памяти небольшого объема, в которую компьютер помещает наиболее часто используемые данные. У винчестера есть своя кэш-память размером до 8 Мбайт.

• Фирма-производитель. Освоить современные технологии могут только крупнейшие производители, потому что организация изготовления сложнейших головок, пластин, контрол-леров требует крупных финансовых и интеллектуальных затрат. В настоящее время жесткие диски производят семь компаний: Fujitsu, IBM-Hitachi, Maxtor, Samsung, Seagate, Toshiba и Western Digital. При этом каждая модель одного производителя имеет свои, только ей присущие особенности.

В ПК используются также диски с высокой плотностью записи, на поверхности которых для более точного позиционирования магнитной головки используется лазерный луч. По внешнему виду эти диски напоминают 3,5-дюймовые дискеты, но имеют более жесткую конструкцию. Накопители на флоппи дисках – выполняют обычную магнитную запись информации, но со значительно большей плотностью размещения дорожек на поверхности диска. Такая плотность достигается ввиду наличия на дисках специальных нанесенных лазерным лучом серводорожек, служащих при считывании/записи базой для позиционирования лазерного луча, и соответственно, магнитной головки, жестко связанной с лазером. Стандартная емкость флоппи диска 20,8 Мбайта; накопители сверхвысокой плотности записи (VHD - Very High Density) используют кроме лазерного позиционирования еще и специальные дисководы, обеспечивающие иную тех-нологию записи/считывания – "перпендикулярного" способа записи вместо обычного "продоль-ного".

По способу организации записи и считывания оптические диски могут быть разделены на три класса: только для чтения CD-ROM (Read Only), с однократной записью и многократным считыванием СC-WORM (Continuous Composite Write Once Read Many) и с многократной перезаписью информации CD-RW (Compact Disc-ReWritable).

В основе записи информации с помощью лазера лежит модуляция интенсивности излучения лазера дискретными значениями 0 и 1. Излучение достаточно мощного лазера оставляет на поверхности диска метки, вызванные воздействием луча на металл. Поверхность диска предварительно покрывается тонким слоем металла – теллура.

При записи логической единицы луч прожигает в пленке теллура микроскопическое отверстие. Если единицы следуют одна за другой, то за счет вращения диска во время записи отверстие оказывается вытянутым вдоль дорожки. Запись ведется с большой плотностью – 630 дорожек на миллиметр. Длина всей спиральной дорожки около 5 км.

Таким способом изготавливается первичный «мастер диск», с которого затем производится тиражирование всей партии дисков методом литья под давлением.

При считывании информации с оптического диска луч считывающего лазера отражается от поверхности диска, кроме мест, выжженных записывающим лучом. Отраженные лучи с помощью оптической системы, состоящей из призм и линз, направляются на фотодетектор. Делитель луча отправляет отраженный луч по отдельной траектории к фотодетектору (рис. 2.10). Напряжение на выходе фотодетектора воспроизво-дит впадины и бугорки, имеющиеся на оптическом диске.

Рис. 2.10. Принцип работы оптических дисков

Технология записи на перезаписывающие диски иная.

Запись информации в магнитооптических накопителях осуществляется на диск из стекла, содержащий магнитный слой из сплава тербия, железа и кобальта. Этот сплав имеет низкую температуру Кюри (около 145С). Температура Кюри – это такая температура, при которой появляется возможность перемагнитить данный сплав. С помощью лазера нагревают небольшой участок диска до температуры Кюри и прикладывают магнитное поле нужного направления. После остывания данный участок запоминает направление намагниченности.

Для считывания данных используют эффект Керра, который проявляется в изменении направления поляризации лазерного луча, отраженного от намагниченной поверхности.

Более высокой плотностью записи обладают диски DVD (Digital Video Disc). Информация на этих дисках может быть размещена на одной либо на обеих сторонах, в одном либо в двух слоях. Переключение между слоями осуществляется фокусировкой лазера на требуемом расстоянии.

Классическим способом резервного копирования является применение стримеров – устройств записи на магнитную ленту. Однако возможности этой технологии как по емкости, так и по скорости, сильно ограничены физическими свойствами носителя. Стример по принципу действия очень похож на кассетный магнитофон. Данные записываются на магнитную ленту, протягиваемую мимо головок. Недостатком стримера является слишком большое время последовательного доступа к данным при чтении. Емкость стримера достигает нескольких Гбайт, что меньше емкости современных винчестеров, а время доступа во много раз больше.

В качестве стримера порой используют обычный видеомагнитофон. Для этого компьютер должен быть укомплектован специальной платой – «АрВид».

Устройства, основанные на кристаллах электрически перепрограммируемой памяти, не имеющие подвижных частей, называются флэш-память. Физический принцип организации ячеек флэш-памяти можно считать одинаковым для всех выпускаемых устройств, как бы они ни назывались. Различаются такие устройства по интерфейсу и применяемому контроллеру, что обусловливает разницу в емкости, скорости передачи данных и энергопотреблении.

USB Flash Drive – последовательный интерфейс USB с пропускной способностью 12 Мбит/с или его современный вариант USB 2.0 с пропускной способностью до 480 Мбит/с. Сам носитель заключен в обтекаемый компактный корпус, напоминающий автомобильный брелок. Может служить не только «переносчиком» файлов, но и работать как обычный накопитель – с него можно запускать приложения, воспроизводить музыку и сжатое видео, редактировать и создавать файлы.

PC Card (PCMCIA ATA) – основной тип флэш-памяти для компактных компьютеров. В настоящее время существует четыре формата карточек PC Card: Type I, Type II, Type III и CardBus, различающиеся размерами, разъемами и рабочим напряжением. Емкость PC Card достигает 4 Гб, скорость – 20 Мб/с при обмене данными с жестким диском.

MirrorBit Flash, разработанная компанией AMD, основана на технологии хранения в ячейке двух бит. Каждая ячейка разделена на симметричные (зеркальные) половинки изолирующим слоем из нитрида кремния и, таким образом, имеет удвоенную емкость. За счет «зеркальности» более быстро формируется стандартная 16-битная страница данных, что увеличивает скорость обмена. Чипы семейства MirrorBit имеют емкость 64 Мбит и могут быть установлены на большинство современных типов твердотельных устройств памяти.

CompactFlash (CF) – самый распространенный, универсальный и перспективный формат. Легко подключается к любому ноутбуку. Основная область применения – цифровая фотография. По емкости (до 3 Гбайт) сегодняшние CF-карты не уступают IBM Microdrive, однако отстают по скорости обмена данными (около 2 Мбайт/с).

Miniature Card (MC) – карточка флэш-памяти, предназначена в основном для карманных компьютеров, мобильных телефонов и цифровых фотокамер. Стандартная емкость составляет 64 Мбайт.

SmartMedia – основной формат для карт широкого применения от банковских и проездных в метро до удостоверений личности. Тонкие пластинки весом 2 грамма имеют открыто расположенные контакты, но значительная для таких габаритов емкость (до 128 Мбайт) и скорость передачи данных (до 600 Кбайт/с) обусловили их проникновение в сферу цифровой фотографии и носимых МР3-устройств.

Memory Stick – «эксклюзивный» формат фирмы Sony, практически не используется другими компаниями. Максимальная емкость — 256 Мбайт, скорость передачи данных доходит до 410 Кбайт/с, цены сравнительно высокие.

xD Picture Card (extreme Digital) является новым типом флэш-памяти, разработанным компанией Toshiba специально для цифровых фотоаппаратов. В момент написания учебника – это самое миниатюрное устройство флэш-памяти. Благодаря использованию технологии NAND не имеет ограничений на максимальный объем.