Учебно-методический комплекс

Виды памяти в технических средствах информатизации: постоянная, переменная, внутренняя. Принципы хранения информации. Накопители на жестких  магнитных дисках. Приводы CD(ROM, R, RW), DVD-R(ROM,R,RW), BD(ROM,R,RW). Разновидности Flash памяти и принцип хранения данных. Накопители Flash-память с  USB интерфейсом.

 

Устройства хранения данных (память) являются составной частью практически любого современного технического средства информатизации. В памяти хранятся как программы работы технического средства, так и данные, используемые в процессе его работы. Применительно к персональным компьютерам вся память компьютера подразделяется на внутреннюю и внешнюю. 

Внутренняя память предназначена для временного хранения программ и обрабатываемых в текущий момент данных (оперативная память, кэш-память), а также для долговременного хранения информации о конфигурации ПК (энергонезависимая память). Все виды запоминающих устройств, расположенные на системной плате, образуют внутреннюю память ПК, к которой относится:

· сверхоперативная память (кэш-память);

· оперативная память;

· постоянная память;

· энергонезависимая память.

Физической основой внутренней памяти являются электронные схемы (ПЗУ, ОЗУ), отличающиеся высоким быстродействием, но они не позволяют хранить большие объемы данных. Кроме этого, основная внутренняя память – оперативная – является энергозависимой, т.е. при отключении ПК ее содержимое стирается. Вследствие этого возникает необходимость в средствах длительного хранения больших объемов данных.

В персональных компьютерах эта функция возложена на внешнюю память, которая по своим характеристикам в противоположность внутренней памяти, является медленной, энергонезависимой и практически неограниченной.

При изучении носителей важно иметь представление о физических принципах, положенных в основу записи и чтения данных. В современных технических средствах информатизации сочетаются три вида носителей, отличающиеся физическим принципом организации памяти: электрические, магнитные, оптические.

Устройства, которые обеспечивают запись информации на носители, а также ее поиск, считывание и воспроизведение в опе­ративную память, называют накопителями. В основу записи, хра­нения и считывания информации положены два принципа —магнитный и оптический, что обеспечивает сохранение информа­ции и после выключения компьютера.

Магнитные диски (МД) бывают гибкие и жесткие. Гибкий МД (ГМД) диаметром 5,25 дюйма (133 мм) в настоящее время может хранить до 1,2 Мбайта информации.

Жесткий магнитный диск (МД), или винчестер, обычно встраивается вместе с дисководом в корпус системного блока (но может иметь и внешнее расположение). Любой магнитный диск первоначально к работе не готов. Для приведения его в рабочее состояние он должен быть отформатрован, т.е. должна быть создана структура диска. Для ГМД — это магнитные концентрические дорожки, разделенные на сектора, помеченные магнитными метками, а у жестких МД — еще и ци­линдры — совокупность дорожек, расположенных друг над другом всех рабочих поверхностях дисков.

CD-RОМ (Сотрасt Disc Rеаd Оп1у Метоry) обладает емкостью до 3 Гбайт, высокой надежностью хранения информации, долго­вечностью (прогнозируемый срок его службы при качественном исполнении составляет 30-50 лет). Диаметр диска может быть как 5,25, так и 3,5 дюйма. Принцип записи и считывания оптический.

Считывание информации с компакт-диска происходит при по­мощи лазерного луча, который, попадая на отражающий свет ост­ровок, отклоняется на фотодетектор, интерпретирующий его как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, рассеи­вается и поглощается — фотодетектор фиксирует двоичный ноль.

Магнитооптические диски лишены этих недостатков, так как ^ учтены достижения магнитной и оптической технологий. На магнитооптические диски можно записывать информацию и быстро считывать ее. Они сохраняют все преимущества ГМД (перено­симость, возможность отдельного хранения, увеличение памяти компьютера) при огромной информационной емкости.

Конструктивно магнитооптический диск состоит из толстой стеклянной подложки, на которую наносится светоотражающая алюминиевая пленка и ферромагнитный сплав — носитель инфор­мации, покрытый сверху защитным слоем прозрачного пластика.

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД, жесткие диски, HardDiskDrive – HDD) представляют собой устройства, предназначенные для длительного хранения информации. В качестве накопителей на жестких магнитных дисках широкое распространение в ПК получили накопители типа винчестер. Термин «винчестер» является жаргонным названием первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 год), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30/30 известного охотничьего ружья винчестер. В этих накопителях один или несколько жестких дисков, изготовленных из сплавов алюминия или из керамики и покрытых ферролаком, вместе с блоком магнитных головок считывания-записи помещены в герметически закрытый корпус. Под дисками расположен двигатель, обеспечивающий вращение дисков, а слева и справа – поворотный позиционер с коромыслом, управляющим движением магнитных головок по спиральной дуге для их установки на нужный цилиндр. Емкость винчестеров благодаря чрезвычайно плотной записи, выполняемой магниторезистивными головками в таких герметических конструкциях, достигает нескольких десятков гигабайтов; быстродействие их также весьма высокое: время доступа от 5 мс, трансфер (скорость обращения) до 6 Гбайт/с. Магниторезистивные технологии обеспечивают чрезвычайно высокую плотность записи, позволяющую размещать 2-3 Гбайт данных на одну пластину (диск). Появление же головок с гигантским магниторезистивньм эффектом (GMR – GiantMagneticResistance) еще более увеличило плотность записи – возможная емкость одной пластины возросла до 6,4 Гбайт.

НЖМД весьма разнообразны. Диаметр дисков чаще всего 3,5 дюйма (89 мм). Наиболее распространенная высота корпуса дисковода: 25 мм – у настольных ПК, 41 мм – у серверов, 12 мм – у портативных ПК, существуют и другие. Внешние дорожки диска длиннее внутренних. Поэтому в современных жестких дисках используется метод зонной записи. В этом случае все пространство диска делится на несколько зон, причем во внешних зонах секторов размещается больше данных, чем во внутренних. Это, в частности, позволило увеличить емкость жестких дисков примерно на 30%.

Есть два основных режима обмена данными между HDD и ОП:

·        Programmed Input/Output (PIO — программируемыйввод-вывод);

·        Direct Memory Access (DMA — прямойдоступкпамяти).

PIO – это режим, при котором перемещение данных между периферийным устройством (жестким диском) и оперативной памятью происходит с участием центрального процессора. Самый "быстрый" PIO обеспечивает 16,6 Мбайт/с. Режим PIO в современных ПК используются редко, поскольку сильно загружают процессор.

DMA – это режим, в котором винчестер напрямую общается с оперативной памятью без участия центрального процессора, перехватывая управление шиной. Трансфер – до 66 Мбайт.

При интерфейсах (на периферийных шинах) SCSI может быть достигнута более высокая скорость передачи – 80 Мбайт/с, при этом можно подключать до 15 накопителей к одному контроллеру интерфейса. А технология, использующая оптоволоконные каналы связи для жестких дисков SCSI, обеспечивает трансфер 200 Мбайт/с и возможность подключения до 256 устройств (используется, естественно, не в ПК, а в больших системах и в дисковых массивах – RAID).

Время доступа к информации на диске напрямую связано со скоростью вращения дисков. Стандартные скорости вращения для интерфейса IDE – 3600, 4500, 5400 и 7200 оборотов/мин; при интерфейсе SCSI используются скорости до 10 000 и даже до 12 000 оборотов/мин. При скорости 10 000 оборотов/мин среднее время доступа составляет 5,5 мс. Для повышения скорости обмена данными процессора с дисками НЖМД следует кэшировать. Кэш-память для дисков имеет то же функциональное назначение, что и кэш для основной памяти, то есть служит быстродействующим буфером для кратковременного хранения информации, считываемой или записываемой на диск. Кэш-память может быть встроенной в дисковод, а может создаваться программным путем (например, драйвером MicrosoftSmartdrive) в оперативной памяти. Емкость кэш-памяти диска обычно составляет 2 Мбайт, а скорость обмена данными процессора с кэш-памятью достигает 100 Мбайт/с.

Для того чтобы получить на магнитном носителе структуру диска, включающую в себя дорожки и секторы, над ним должна быть выполнена процедура, называемая физическим, или низкоуровневым, форматированием (physical, или low-levelformatting). В ходе выполнения этой процедуры контроллер записывает на носитель служебную информацию, которая определяет разметку цилиндров диска на секторы и нумерует их. Форматирование низкого уровня предусматривает и маркировку дефектных секторов для исключения обращения к ним в процессе эксплуатации диска.

В ПК имеется обычно один, реже несколько накопителей на жестких магнитных дисках. Однако программными средствами один физический диск может быть разделен на несколько «логических» дисков; тем самым имитируется несколько НМД на одном накопителе.

Большинство современных накопителей имеют собственную кэш-память емкостью от 2 до 8 Мбайт.

Внешние HDD относятся к категории переносных.

В последнее время переносные накопители (их также называют внешними, мобильными, съемными, а портативные их варианты – карманными – Pocket HDD) получили широкое распространение. Питание переносных жестких дисков выполняется либо от клавиатуры, либо по шине USB (возможный вариант – через порт PS/2).

Переносные жесткие диски весьма разнообразны: от обычных HDD в отдельных корпусах до стремительно набирающих популярность твердотельных дисков. Форм-фактор чаше – 2,5 дюйма, емкость 1-60 Гб.

Переносить большие массивы данных с одного компьютера на другой позволяют также оптические накопители CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW и DVD-RAM. Их носители обеспечивают перенос больших массивов данных с одного компьютера на другой. Кроме того, в силу относительно высокой производительности эти накопители можно использовать в тех же целях, что и обычные стационарные жесткие. Такие устройства могут применяться и для решения задач резервного копирования информации.

В конце 1997-го - начале 1998 года на рынке стали появляться диски и приво­ды DVD. Этот стандарт был создан с расчетом на то, чтобы заменить разные носи­тели сразу в нескольких областях - в индустрии видео, в сфере информационных технологий, в звуковых записях и даже, возможно в индустрии игровых картрид­жей. По замыслу разработчиков, это должен быть некий «универсальный» носи­тель, необычайно вместительный и надежный.

DVD (DigitalVersatileDisk, ранее DigitalVideoDisk), т. е. многоцелевой цифровой диск - тип компакт-дисков, хранящий от 4,7 до 17 Гбайт информации, что вполне достаточно для полнометражного фильма. Почти все уже уверены, что DVD скоро вытеснят как CD-ROM, так и обычные VHS-видеокассеты. Такой объем способен удовлетворить любого производителя компьютерных игр и энциклопедий, для вы­пуска которых обычно требовалось несколько CD-ROM, вызывая неудобства у пользователя.

По размерам же диски CD и DVD абсолютно одинаковы - DVD лишь немного тоньше. Естественно, так же как и CD-диски, DVD производится в двух форм-фак­торах: 12 см (4,7 дюйма) и 8 см (3,1 дюйма). Наиболее распространенным, как и в случае с CD, скорее всего, будет форм-фактор 12 см - ведь именно на него рас­считано большинство дисководов и DVD-плейеров.

В чем же заключаются различия между DVD и CD? В первую очередь у DVD-дисков меньший диаметр углублений, на дорожке они расположены с меньшим «шагом» и самих дорожек на диске гораздо больше. Использование насечек меньшего размера стало воз­можным благодаря применению лазера с меньшей длиной волны, посылающего более «плот­ный» луч. В то время как лазер в обычном устройстве CD-ROM имеет длину волны 780 нанометров, устройства DVD используют лазер с длиной волны 650 или 635 нм, что позволя­ет покрывать лучом в два раз больше насечек на одной дорожке и в два раза больше дорожек. Кроме того, поверхность диска, отведенная для хранения данных, немного больше, чем у CD-ROM; DVD также предусматривает другой формат секторов и более надежный код коррекции ошибок. Все эти нововведения позволили достичь примерно в семь раз большей емкости дисков DVD, чем традиционных CD.

Но семикратный прирост емкости диска - это далеко не предел. Пожалуй, самое инте­ресное в спецификациях DVD - это возможность создания двухсторонних и двухслойных дисков.

Двухсторонний диск делается просто: так как толщина диска DVD может составлять лишь 0,6 мм (половина толщины обычного CD-ROM), появляется возможность соединить два дис­ка тыльными сторонами и получить двухсторонний DVD. Правда, вам придется вручную пе­реворачивать его, но с развитием технологий DVD появятся приводы, способные читать обе стороны без вмешательства пользователя (вспомним те же самые трехдюймовые дисково­ды для floppy-дисков).

Технология создания двухслойных дисков чуть более сложна: данные записываются в двух слоях - нижнем и полупрозрачном верхнем. Работая на одной частоте лазер считывает данные с полупрозрачного слоя, работая на другой - получает данные «со дна»,

Всевозможные комбинации всех вышеперечисленных технологий породили довольно много типов дисков DVD.

Существуют односторонние (SS - SingleSided) и двухсторонние DVD (DS), однослойные (SL - SingleLayer) и двухслойные (DL).

Стоит отметить, что вместимость двухслойных DVD-дисков не в два раза больше, чем у однослойных, как следовало бы ожидать, а немного меньше: чтобы минимизировать помехи, возникающие при прохождении луча лазера через внешний слой, минимальный размер уг­лублений на дорожках был повышен с 0,4 мм до 0,44 мм. Кстати, в результате немного повысилась скорость считывания информации с таких дисков.

С пользовательской точки зрения программы и данные записаны на диске в формате DVD-ROM аналогично традиционному диску CD-ROM. Для считывания таких дисков в компьютере должен быть установлен накопитель DVD-ROM, кото­рый внешне похож на привод CD-ROM, использует тот же интерфейс IDE (ATAPI) и точно так же устанавливается. Причем DVD-ROM может читать и старые CD-ROM, a также воспроизводить звуковые компакт-диски. Однако не все приводы DVD-ROM одинаковы, и, хотя технология DVD разработана сравнительно недавно, в продаже проходили уже несколько поколений накопителей DVD-ROM.

Дисководы первого поколения не были рассчитаны на чтение записываемых компакт-дисков CD-R и CD-RW (и, кстати, плохо читали некачественные диски CD-ROM), но дисководы DVD последующих поколений корректно работают уже со все­ми форматами. В общем же следует отметить, что скорость передачи данных у дисководов DVD-ROM первого поколения приблизительно девятикратная (по от­ношению к однократной скорости чтения CD-ROM), однако скорость вращения дис­ков у первых приводов DVD-ROM была только в три раза выше, чем у CD, так что диски CD-ROM они читали только на трехкратной скорости. Основная масса со­временных приводов DVD-ROM читает диски CD-ROM уже на 40-кратных скорос­тях. Поэтому можно с большой уверенностью сказать — смена приводами DVD-ROM дисководов CD-ROM в ближайшем будущем несомненно произойдет. Неко­торые изготовители дисководов CD-ROM уже планируют прекратить их выпуск в пользу приводов DVD-ROM.

Все DVD-плейеры и компьютерные приводы должны читать двухслойные диски — этого требует спецификация. Все плееры и дисководы также проигрывают дву­сторонние диски, но, как правило, их надо переворачивать, так как двухголовочных моделей, которые могли бы воспроизводить обе стороны без переворачивания, пока нет, хотя практически все диски ранних выпусков —двусторонние, а двухслой­ная продукция распространяется только в последнее время.

Одной из тенденций развития современных технических средств информатизации является разработка широкого спектра мобильных технических средств, позволяющих использовать их в любых условиях. Так появились миниатюрные, легкие и удобные телефоны, карманные ПК, цифровые фото- и видеокамеры и другие мультимедийные устройства, отличающиеся высокой производительностью и длительной автономной работой.

В первую очередь, это достигнуто благодаря новым микропроцессорным технологиям. Тем не менее, значительный результат на пути к разработке современных мобильных технических средств информатизации обусловлен новой технологией хранения данных, называемой Flash-памятью.

Flash-память нашла свое применение в системах управления, где условия эксплуатации настолько суровы, что иные современные носители информации просто не в состоянии их выдержать. Это горячие цеха, транспорт, авиация и космонавтика. В этих условиях Flash-память на сегодняшний день незаменима. Кроме экстремальных условий Flash-память вполне работоспособна и в бытовом использовании. Она входит в состав любого компьютера как микросхема BIOS системной платы, так и различных устройств (CD-ROM, видеоадаптер, звуковая карта, модем). SIM-карта сотовых телефонов тоже содержит в себе Flash-память. Она используется для хранения телефонных номеров, учета времени использования, идентификации пользователя и других служебных данных. С вводом в широкую эксплуатацию сотовых сетей нового поколения (3G) применение Flash-памяти в мобильном телефоне станет обязательным.

Первые образцы Flash-памяти были разработаны в 1984 году инженерами компании Toshiba. До сих пор нет единого мнения по поводу происхождения названия Flash. С одной стороны, существует мнение, что Flash характеризует высокую скорость записи и стирания информации, поскольку английское "in a flash" можно перевести как "в мгновение ока". С другой стороны, существует и другое мнение, согласно которому Flash характеризует процесс записи, поскольку операция записи требует подачи высокого напряжения на управляющий затвор и сток, то отсюда и английское название Flash (flash – молния).

В настоящее время выпускается два основных типа Flash-памяти:

·        NOR (Not OR – логическое "НЕ-ИЛИ") – разработана компанией Intel в 1988 году;

·        NAND (Not AND – логическое "НЕ-И" – разработана компанией Toshiba в 1989 году.

Память типа NOR обеспечивает возможность произвольного чтения-записи данных (вплоть до отдельных байтов) и быстрое считывание, но при этом относительно медленные схемы записи и стирания. Кроме того, такая память имеет довольно крупные ячейки (к каждой необходимо подвести контакт), что вызывает сложности в изготовлении и повышении емкости.

Память типа NAND обеспечивает блочный доступ, быстрые процедуры стирания и записи, дешевизну и простоту наращивания емкости модулей. Данные на Flash-памяти NAND считываются поблочно. Размер единичного блока варьируется от 256 байт до 256 Кбайт. Практически все современные микросхемы позволяют работать с блоками разного размера. Благодаря блочной организации Flash-памяти NAND она дешевле.

В простейшем случае одна ячейка Flash-памяти содержит один бит и может быть выполнена как на одном, так и на двух полевых транзисторах. Сам транзистор включает в себя специальную электрически изолированную область, называемую "плавающим затвором", как показано на рис. 6.7.1. Этот термин возник из-за того, что потенциал этой области не является стабильным, что позволяет накапливать в ней электроны, то есть заряд, и именно здесь хранится информация. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит: логическая 1 – заряда нет, 0 – есть. Выше "плавающего" находится управляющий затвор, который является неотъемлемой частью при процессе записи/стирания данных памяти.

Этот тип Flash-накопителей (рис. 6.9.1) появился в 2001 году и достаточно быстро завоевал популярность, вытеснив накопители на гибких магнитных дисках, поскольку при меньшем размере имеет больший объем памяти, обладает значительно большей скоростью передачи данных, отличается высокой надежностью. Для того чтобы использовать накопитель, не требуется никаких дополнительных устройств. Достаточно компьютера с ОС Windows и USB-портом, к которому подключается накопитель.Внутри корпуса накопителя находится контроллер интерфейса USB и Flash-памяти и, собственно, сама микросхема Flash-памяти. Основными характеристиками данного типа накопителей, так же как и карт памяти, являются: тип USB интерфейса (1.1 или 2.0); скорость чтения и записи данных; число циклов перезаписи; время хранения данных; габаритные размеры и вес. Кроме этого, возможность использования накопителя в качестве загрузочного диска.