22. Принципи довгострокового збереження інформації. Типи накопичувачів інформації.

Устройства хранения данных

Устройства хранения данных относятся к внешней памяти компьютера — они позволяют сохранять информацию для последующего ее использования незави¬симо от состояния (включен или выключен) компьютера. В устройствах хране¬ния данных могут быть реализованы различные физические принципы хране¬ния информации — магнитный, оптический, электронный в любых их сочетани¬ях. Внешняя память принципиально отличается от внутренней (оперативной, постоянной и специальной) способом доступа к этой памяти процессора (испол¬няемой программы). Устройства внешней памяти оперируют блоками информа¬ции, но никак не байтами или словами, как, например, оперативная память. Эти блоки обычно имеют фиксированный размер, кратный степени числа 2. Блок может быть переписан из внутренней памяти во внешнюю или обратно только целиком, и для выполнения любой операции обмена с внешней памятью требу¬ется специальная процедура (подпрограмма). Процедуры обмена с устройства¬ми внешней памяти привязаны к типу устройства, его контроллеру и способу подключения устройства к системе (интерфейсу).

В этой главе рассматриваются устройства хранения различных типов — с подвижными носителями, дисковыми и ленточными, магнитными и оптичес¬кими, а также статические (электронные). Основной акцент сделан на диско¬вых устройствах — основных устройствах хранения данных в современных ком¬пьютерах.

Принципы хранения информации

Энергонезависимое хранение информации может осуществляться на различных физических принципах. Раньше всех начали применять магнитный способ хра¬нения, где запись нуля или единицы изменяет направление намагниченности эле¬ментарной хранящей ячейки. Устройства хранения на магнитных сердечниках состояли из матрицы ферритовых колец (по кольцу на каждый хранящийся бит), пронизанных обмотками (адреса, записи и считывания). Считывание выполня¬лось импульсом тока, пытающимся намагнитить ячейку в определенном направ¬лении. Если ячейка была в противоположном состоянии, то эта попытка наводи¬ла импульс в обмотке считывания. Устройства ферритовой памяти были громоздкими, но сугубо статическими — в них не было движущихся частей (кроме пово¬ротных рам блоков, которые нередко приходилось вскрывать для ремонтных ра¬бот). В устройствах с подвижным носителем хранящие ячейки движутся отно¬сительно головок записи-считывания и в зависимости от направления намагни¬ченности вызывают в головке считывания импульс определенной полярности. На таком принципе строились и магнитные барабаны первых ЭВМ, и магнит¬ные диски, и накопители на магнитной ленте. Оптические устройства хранения основаны на изменении отражающей или пропускающей способности участков носителей. Носителями для первых оптических устройств были фотопленка (мо¬жет, кто и помнит), перфолента (до сих пор используется в старых станках с ЧПУ), перфокарты. Теперь оптические устройства хранят информацию на дис¬ках с ячейками микроскопических размеров, считываемых лазерным лучом. Под¬робнее оптические, а также магнитооптические устройства рассмотрены в п. 7.4.3. В конце 2000 года появилось сообщение о новом типе оптических дисков FMD (Fluorescent Multilayer Disk, флуоресцентный многослойный диск), разработан¬ном компанией Constellation 3D Inc. (C3D). В этих дисках информацию несут частички флуоресцирующего вещества, вкрапленные в слои прозрачного плас¬тика. В отличие от CD/DVD, где информативна степень отражения лазерного луча от текущей точки поверхности, здесь воспринимается флуоресцентное све¬чение, вызванное этим лучом. Оптическая система привода позволяет фокуси¬роваться лишь на требуемом слое. Поскольку слои прозрачны, их число может быть значительно увеличено без ощутимых потерь сигнала. Для начала предла¬гается 12-слойный диск емкостью 50 Гбайт со скоростью считывания до 1 Гбит/с. Пока что разработана технология печати дисков с матриц (ROM), но уже прора¬батывается и технология однократно записываемых дисков. Первые сообщения о проекте «трехмерных дисков» появились еще в 1997 году, но теперь уже они вот-вот выйдут на рынок.

Из электронных устройств распространение получила флэш-память, сочета¬ющая довольно высокую плотность хранения с теперь уже приемлемой ценой. Флэш-память является статической и имеет очень высокое быстродействие счи¬тывания, правда, не очень быструю процедуру записи, причем для перезаписи должен предварительно стираться целый блок ячеек (современные микросхемы состоят из набора блоков). В режиме хранения на флэш-память питание можно не подавать — энергопотребление нулевое. В режиме чтения потребление доста¬точно малое, но стирание и запись, естественно, требуют энергозатрат.

Устройства хранения на флэш-памяти выпускаются в разнообразных конст¬руктивных исполнениях. Первые «статические диски» выполнялись в виде уст¬ройств формата 3,5" с интерфейсом АТА. Затем появились флэш-карты с интер¬фейсом PC Card (PCMCIA), Card Bus, которые используются в блокнотных ПК, а также в ряде бытовых электронных устройств, например в цифровых фотока¬мерах. Поскольку процессы записи-считывания такого «диска» не связаны с ме¬ханическими перемещениями, его производительность (особенно по чтению) на несколько порядков превышает производительность самых лучших жестких дис¬ков. Цена электронного диска емкостью 500 Мбайт на флэш-памяти в 1996 году составляла примерно 10 000 долларов — почти в 100 раз дороже винчестера. В 2001 году карта Compact Flash на 32 Мбайт стоит порядка 50 долларов, что дороже винчестера уже «всего» в 30 раз.

Для настольных ПК, не оборудованных слотом PC Card, компания SmartDisk разработала оригинальное устройство FlashPathT (выпускается фирмами FujiFilm и Toshiba). Оно выполнено в виде дискеты (не дисковода!) формата 3,5" и имеет слот, в который вставляется флэш-карта SSFDC (Solid State Floppy Disk Card), она же SmartMedia, производства фирм Toshiba и Samsung. В устройстве имеет¬ся электронная схема, передающая информацию с карты в компьютер (и обрат¬но) через магнитные головки дисковода. Питается эта «дискета» от батареек («таб¬леток»). Устройство совместимо со стандартными дисководами на 1,44 Мбайт (не 2,88 и не LS120), но для работы, естественно, требует специальный драйвер. Ско¬рость обмена выше, чем у СОМ-порта: 4 Мбайт передаются примерно за 2 мину¬ты. Устройство поддерживает карты SmartMedia объемом 2, 4, 8 и 16 Мбайт с питанием 3,3 или 5 В. Однако карты Compact Flash, применяемые в ряде моде¬лей цифровых фотокамер, вставить в FlashPath нельзя — они толще дискеты.

Интересный вариант «твердотельного диска» для микрокомпьютеров и микро¬контроллеров — DiskOnChip — предлагает фирма M-Systems. Это микросхема, имеющая интерфейс 8/16-битной статической памяти, легко подключаемый к шине ISA (или локальной шине). Модель Millenium Plus объемом 32 Мбайт содержит массив флэш-памяти архитектуры NAND (см. п. 6.5.2), модуль статической памя¬ти SRAM (1 Кбайт), интерфейсные схемы, логику защиты записи и чтения и схе¬мы обнаружения и исправления ошибок. Эта микросхема отображается на 8-кбай-тную страницу пространства памяти компьютера в области C8000-EFFFFh. По сигналу аппаратного сброса начальный блок из флэш-памяти выгружается в SRAM; если обнаруживается ошибка, то берется следующий (резервный) блок. Этот блок содержит процедуру инициализации «диска», которая обнаруживается тестом POST как модуль расширения BIOS (см. п. 15.7). Процедура загружает из флэш-массива в системное ОЗУ драйвер блочного устройства, которое становится пер¬вым или последним логическим жестким диском (по выбору при конфигурирова¬нии). Далее к этому «диску» можно обращаться обычным способом (через преры¬вание Int 13h), с него же может загружаться ОС. Интерфейс допускает каскадиро¬вание — объединение в единый диск до 4 микросхем, увеличивая его объем до 128 Мбайт, при этом все микросхемы отображаются через общее окно памяти (используют общий сигнал выборки). Встроенное ПО поддерживает полную эму¬ляцию диска с прозрачным исправлением ошибок и переназначением дефектных секторов. Микросхема обеспечивает длительную скорость записи 750 Кбайт/с, счи¬тывания — 2,4 Мбайт/с. Пиковая скорость чтения-записи достигает 20 Мбайт/с. В устройстве имеется уникальный идентификационный номер, область для одно¬кратного программирования (ОТР), возможность защиты от записи отдельных зон и возможность пародирования доступа (с паролем, который невозможно прочи¬тать, а можно только сравнивать).

2

Выпускаемые накопители информации представляют собой гамму запоминающих устройств с различным принципом действия физическими и технически-эксплуатационными характеристиками. Основным свойством и назначением накопителей информации является ее хранение и воспроизведение. Запоминающие устройства принято делить на виды и категории в связи с их принципами функционирования, эксплуатационно-техническими, физическими, программными и др. характеристиками. Так, например, по принципам функционирования различают следующие виды устройств: электронные, магнитные, оптические и смешанные – магнитооптические. Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения/воспроизведения/записи цифровой информации. Поэтому, в связи с видом и техническим исполнением носителя информации различают: электронные, дисковые и ленточные устройства. Обратим особое внимание на дисковые магнитные накопители – накопители на жестких и гибких магнитных дисках.