1.6.2 Накопичувачі

Для зберігання програм і даних в ІВМ РС - сумісних персональних комп’ютерах використовують різноманітні накопичувачі. Загальна ємність таких накопичувачів у сотні і тисячі разів більша ніж ємність оперативної пам’яті. Накопичувач можна розглядати як сукупність носія і відповідного приводу. Ось чому накопичувачі бувають з змінним і з незмінним носієм. В залежності від типу носія всі накопичувачі підрозділяються на накопичувачі на магнітній стрічці і накопичувачі на дисках. Перші також носять назву “накопичувачі послідовного доступу”: за способом запису і читання інформації на носієві дискові накопичувачі бувають магнітними, оптичними, магнітооптичними. Серед дискових накопичувачів виділяють:

• накопичувачі на гнучких магнітних дисках;

• накопичувачі на незмінних жорстких магнітних дисках (вінчестери);

• накопичувачі на магнітнооптичних дисках;

• накопичувачі на оптичних дисках з одноразовим записом і багаторазовим читанням WORM (Write Once Read Many);

• накопичувачі на оптичних компакт-дисках CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory);

Вінчестери. Практично всі IBM PC - сумісні комп’ютери мають у своєму складі хоча б один накопичувач на жорсткому незмінному диску або вінчестері, поява якого має свою історію.

В 1973 році фірма ІВМ розробила перший жорсткий диск, який міг зберігати до 16Кбайт інформації. Так як цей диск мав 30 доріжок, кожна з яких була розбита на 30 секторів, то спочатку цей пристрій мав назву “30/30”. По аналогії з автоматичними гвинтівками, які мали калібр 30/30 жорсткі диски одержали прізвисько “вінчестер”. Перші вінчестери мали щільність запису до 300 доріжок/дюйм і 5600 біт/дюйм.

Сьогодні мова йде про щільність запису 610Гбайт на квадратний дюйм. Під час запису цифрова інформація (у вигляді нулів і одиниць) перетворюється в змінний електричний струм, який подається на магнітну голівку запису-читання. Так як магнітне покриття диска являє собою велику кількість дуже малих областей спонтанної намагніченості (доменів), то під дією зовнішнього магнітного поля, яке створюється голівкою, власні магнітні поля доменів орієнтуються у відповідності з його напрямком. Після зняття зовнішнього поля на поверхні диска в результаті запису інформації залишаються зони залишкової намагніченості у формі концентричних кіл - це і є магнітні доріжки. Сукупність таких доріжок, розміщених на всіх робочих поверхнях дисків, називається циліндром. Концентричні доріжки розбиваються на дуги (так звані сектори), які є однією з основних одиниць запису інформації на жорсткий диск. Для підвищення числа бітів записаних на одній доріжці використовуються різні методи кодування і запису даних.

Мал.1.3. Вінчестери

Поверхня тільки-но виготовленого магнітного носія не підготовлена до роботи. Для того щоб на магнітному носієві одержати потрібну структуру диска (доріжки, циліндри, сектори) над ним повинна бути виконана операція, яка має назву фізичного (physical) , або низького рівня (low-level) форматування. Під час виконання цієї процедури контролер МД записує на носій службову інформацію, яка визначає розмітку циліндрів диска на сектори і нумерує їх. Як правило, структура формата включає в себе байти синхронізації, які вказують на початок кожного сектора, ідентифікаційні заголовки, які складаються з номерів голівки, сектора і циліндра, а також байтів циклічного контролю парності (CRC, Cyclic Redundancy Check) і коди, які призначені для пошуку помилок (ECC, Error Correction Code). До форматування низького рівня відносять також маркировку дефектних секторів для того, щоб виключити звертання до них у процесі експлуатації диска.

Крім своїх геометричних розмірів вінчестери характеризуються такими параметрами як ємність, середній час доступу до даних, швидкість передачі даних, середній час безвідмовної роботи. Ємність диска вимірюється у мегабайтах, середній час доступу до даних на диску вимірюється у мілісекундах, швидкість передачі даних (внутрішня і зовнішня) вимірюється у мегабітах або у мегабайтах за секунду, а середній час безвідмовної роботи у тисячах годин (наприклад 200 000 годин, тобто більше ніж 20 років).

Ще однією важливою характеристикою накопичувачів є їх спосіб підключення до комп’ютера (інтерфейс). Так, для підключення накопичувачів до IBM PC - сумісних комп’ютерів сьогодні використовуються інтерфейси IDE (Integrated Drive Electronics), ATA (AT Attachment), SCSI (Small Computer System Interface).

Інтерфейс IDE. Інтерфейс IDE був запропонований для користувачів IBM PC/XT та PC/AT - сумісних комп’ютерів влітку 1988 року фірмою Conner Peripherals. В його розробці взяли участь фірми CDC, Compaq Computers та Western Digital. Були розроблені версії IDE для 16 -ти і для 8 - розрядних варіантів шини ISA.

Розповсюдженість IDE накопичувачів у багато чому пояснюється їх так званою “прозорістю”, яка означає те, що для установки подібного пристрою на ПК не потрібні спеціальні драйвери, тому що вони підтримуються на рівні системного BIOS і інтерфейса IDE. Проте великим недоліком IDE - накопичувачів є їх обмежена ємність. Пояснимо це.

BIOS		IDE		BIOS		IDE		BIOS		IDE
1024		6563		255		16		63		255

1 024

1 6

6 3

E =1024*16*63*512=504Мбайтів

Мал. 1.4. Максимальна ємність накопичувача з IDE інтерфейсом

Відомо, що ємність IDE - накопичувача визначається кількістю магнітних голівок (H), циліндрів (С) і секторів на доріжці (S). Так як MS-DOS опрацьовує сектори з розміром 512 байтів, то ємність IDE - накопичувача визначається за формулою:

E=C*H*S*512

Відомо також, що при роботі з дисками BIOS має наступні обмеження: по кількості циліндрів - до 1024, по кількості голiвок - до 255 і по кількості секторів - до 63 у форматі CHS (Cylinder, Head, Sector). Таким чином, на рівні BIOS можуть бути підтримані накопичувачі з сумарною ємністю до 8,4 Гбайтів. Визначимо ємність накопичувача, яким управляють BIOS і IDE працюючи разом. Для цього зобразимо їх обмеження у форматі CHS і визначимо “вузькі місця”:

Е=1024*16*63*512=504 Мбайтів.

Звідси стає зрозумілим, чому IDE - накопичувачі не можуть мати ємність більшу ніж 504 Мбайтів. Швидкість обміну IDE - накопичувачів досягає 5 - 10 Мбайтів/с.

Інтерфейс ATA. Цей інтерфейс являє собою подальший розвиток інтерфейсу IDE, який у 1990 році був стандартизований під назвою АТА (AT Attachment). Його називають також AT - Bus, PC AT, Task File і навіть IDE. Звідси випливають недоліки цього інтерфейсу (ті ж, що і у IDE), тобто загальна ємність АТА - накопичувачів не може бути більшою ніж 1 Гбайт (2*504 Мбайтів на один накопичувач).

Порівняно недавно фірма Western Digital розробила нову специфікацію під назвою Enhanced IDE, яка після стандартизації одержала назву Fast ATA-2. Ця специфікація дозволяє опрацьовувати накопичувачі з сумарною ємністю до 8 Гбайтів і збільшити швидкість обміну АТА - накопичувачів до 16.7 Мбайтів/с. Крім того цей інтерфейс дозволяє підключати до чотирьох приводів жорстких дисків або приводи CD-ROM і стрімери.

Інтерфейс SCSI. Інтерфейс SCSI було розроблено ще наприкінці 70-х років консорціумом Shugart Associates під назвою SASI (Shugart Associates System Interface). Після його стандартизації у 1986 році він дістав ім’я SCSI (читається “сказі”) цей інтерфейс став одним із найпоширених промислових стандартів для підключення до комп’ютерів таких периферійних пристроїв як вінчестери, стрімери, змінні жорсткі та оптичні диски тощо. Так як SCSI виконує паралельну пересилку даних, то це дозволяє йому суттєво збільшити швидкість обміну даними. До шини SCSI можна підключати до 8 різних пристроїв як ведучих так і ведомих. Фізично SCSI - шина являє собою плоский кабель з 50-контактними рознiмами для підключення периферійних пристроїв. Одним з цих пристроїв є основним (хост) адаптер SCSI. Шина SCSI має 8 ліній даних, які доповнюються лінією парності і 9 ліній для сигналів управління. По цій шині можна виконувати як синхронні так і асинхронні передачі даних. Швидкість передачі даних по 8 - розрядній SCSI-шині досягає 1.5 Мбайтів/с в асинхронному і 3-4 Мбайтів/с в синхронному режимах.

Подальшим розвитком специфікації SCSI став стандарт SCSI-2, до якого були включені команди підтримки таких пристроїв як приводи СD-ROM, сканери, комутаційні пристрої, оптичні накопичувачі тощо.

Для підвищення швидкодії інтерфейсу до специфікації SCSI-2 було введено так званий “широкий” (Wide) варіант шини даних доповненоi 24 інформаційними лініями. Це так званий стандарт Wide SCSI-2. У цьому випадку 8-розрядні пристрої продовжують співпрацювати по шині SCSI, яка використовує 50-дротовий кабель (кабель А), а пристрої, які мають більшу розрядність зв’язані додатковим 68-дротовим кабелем (кабель Б). Підключення контролер - вінчестери з інтерфейсом SCSI зображено на наступному малюнку (мал.1.5).

Управління/Дані Кабель А (50)

Кабель Б (68)

Мал.1.5. Підключення “контролер SCSI - вінчестери”

Після збільшення тактової частоти у два рази “швидкісний” (Fast) режим передачі даних SCSI-2 збільшив свою швидкодію до 10 Мбайт/с. А одночасне використання FAST-режиму і Wide SCSI-2 (32 розряди) теоретично збільшує продуктивність шини передачі даних до 40 Мбайт/с.

Накопичувачі на гнучких магнітних дисках. Сьогодні більшість IBM PC - сумісних комп’ютерів оснащується приводами для змінних гнучких магнітних дисків (НГМД). Носієм інформації в таких накопичувачах є невеликі гнучкі пластикові диски з магнітним покриттям (див. мал.1.6), які містяться в спеціальному жорсткому паперовому конверті (діаметр диска 5.25 дюйма або 133 мм.) або у пластмасовому корпусі (діаметр диска 3.5 дюйма або 89 мм):

Мал.1.6. Гнучкі магнітні диски ПЕОМ

Характеристики найбільш розповсюджених зараз гнучких дисків наведені у Таблиці 1.7, де скорочення означають: DD (Double Density) подвійна щільність, HD (High Density) висока щільність, DS (Double Sides) двосторонній, bpi (bit per inch) щільність запису у бітах на дюйм, tpi (track per inch) - кількість доріжок на дюйм.

Таблиця 1.7

Характеристики найбільш розповсюджених зараз гнучких дисків

	Діаметр носія і його маркировка
Параметри	5.25 дюйма		3.5 дюйма
	DS/DD	DS/HD	DS/DD	DS/HD
Кількість доріжок	40	80	80	80
Кількість секторів на доріжку	9	15	9	18
Ємність, Кбайтів	360	1200	720	1440
Щільність, tpi	48/96	96/100	135	135
Щільність, Bpi	5500	9800	8700	17500

Останнім часом для резервного копіювання інформації жорстких дисків стали використовувати накопичувачі з надвисокою щільністю запису VHD (Very High Density). VHD дискетки нагадують 3.5 дюймові дискетки, але щільність запису на них набагато вища. Ємність таких дискет від 2.88 Мбайтів до 20.8 Мбайтів.

Стрімери. Серед всіх накопичувачів на магнітній стрічці для ПЕОМ особливе місце займають стрімери (Streamers). Взагалі стрімер - це спеціальний механізм протяжки стрічки, який працює у інерційному режимі.

Магнітна стрічка шириною 4мм або 8мм розміщується у касеті (картріджі). Існує декілька стандартів запису інформації на стрічку стрімера. Найбільш відомим серед них є QIC-40 та QIC-80 (QIC, Quarter Inch Cartridge). Стандартний пристрій QIC-80 може підтримувати без ущільнення даних резервне копіювання ємністю до 400 Мбайтів, а новий стандарт QIC-3010 - більше 800 Мбайт.

Мал.1.7. Стрімери

Накопичувачі на змінних жорстких дисках. Серед накопичувачів на змінних жорстких дисках (Removable Hard Disk Drives) чільне місце займають пристрої фірми SyQuest. Носії інформації таких дисків, нанесені на жорстку металеву основу, носять назву картріджів. Приводи для цих носіїв зовні схожі на приводи зовнішніх накопичувачів для 5.25 або 3.5 - дюймових дискеток. Швидкість обертання диска складає близько 3000 обертів за хвилину, а час доступу змінюється від 20 до 13.5 мс. Ємність одного змінного диска коливається від 44 до 270 Мбайт.

Накопичувачі на компакт-дисках. Завдяки малим розмірам, великій ємності (до 666 Мбайт), надійності та довговічності компакт-дисків (Compact Disk Read Only Memory або CD-ROM) подібні накопичувачі з успіхом використовуються як пристрої зовнішньої пам’яті. Інформація на них записується і читається за допомогою лазерного променя.

Швидкість передачі даних CD-ROM визначається швидкістю обертання диска та щільністю записаних на ньому даних і складає від 150 Кбайт/с, 600 Кбайт/с і навіть 3 Мбайт/с для останніх моделей.

Мал.1.8. Накопичувач CD-ROM

Останнім часом на ринку з’явилися так звані перезаписувальні компакт-диски CD-R (CD-Recordable), які дають змогу записувати (або дописувати) на них інформацію користувачем.

Магнітооптичні накопичувачі. Магнітооптичні накопичувачі записують інформацію, яка представлена у вигляді коливань магнітного поля на відповідний носій з допомогою додаткового магнітного поля і променя лазера. На відміну від компакт-диска у магнітооптичного диска використовуються обидві сторони. Ємність одного двостороннього носія може досягати від сотень мегабайт до декількох гігабайт.

Геометричні розміри магнітооптичних дисків такі ж як і у НГМД (5.25 чи 3.5 дюйма). Час зберігання інформації на магнітооптичних дисках від 30 до 50 років і більше.