20. Иерархия подсистемы памяти

Подсистема памяти — функциональная часть ЭВМ, предназначенная для записи, хранения и выдачи информации. В ЭВМ запоминание информации происходит в ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), ПЗУ (постоянное запо­минающее устройство), ВЗУ (внешнее запоминающее устройство), кэш­ памяти (недоступный для пользователя буфер), СМОS-памяти (здесь хра­нятся системные данные) и РОН — внутренних регистрах процессора (ис­пользуются при вычислениях). ОЗУ, ПЗУ, РОН, кэш-память, СМОS-память относятся к электронной памяти, а ВнЗУ — к электромеханической памяти. Аббревиатура СМОS (Complement Metal Oxide Semiconductor — комплементарные пары металл-оксид-полупроводник, отечественная аббревиатура — КМОП) указывает на технологию изготовления данной памяти, а не на ее функциональное назначение. Точнее, ее можно было бы назвать памятью системных установок (конфигурации).

Существует еще одно понятие — видеопамять — электронная па­мять, размещенная на видеокарте (графическом адаптере). Она использует­ся, как правило, в качестве буфера для хранения кадров динамического изображения.

ОЗУ и ПЗУ совместно образуют так называемую основную память(ОП).

Объем и быстродействие памяти во многом определяют производительность всего компьютера.

Все виды компьютерной памяти связаны между собой, образуя своеобразную иерархию (рис. 7.1).

Из анализа иерархии, изображенной на рис.7.1 следует, что чем «выше» рассматриваемая разновидность памяти, т.е. чем ближе она к процессору, тем меньше ее объем, но тем больше скорость ее работы.

Иерархия памяти специально спроектирована так, что более необходимая для данной задачи информация попадает в память более высокого уровня. Например, файлы, в которых хранятся данные, требуемые для решения данной задачи, считываются в ОЗУ, а наиболее часто используемые из них помещаются в КЭШ.

Регистры

Процессор

КЭШ L2

КЭШ L2

ОЗУ

Внешняя память

21. Внешние запоминающие устройства. Физические основы записи и хранения информации на магнитных носителях жестких дисков

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).

Накопители на оптических дисках часто называют английским терми­ном CD-ROM (Compact Disc Only Memory). В переводе эта английская аббревиатура означает: компактный диск для чтения. Произносится сокра­щение так: сиди-ром (CR).

. Однако этим же термином обозначают и сами оптиче­ские диски, поэтому здесь возможны смысловые ошибки. Поэтому разумнее устройства называть накопителями на оптических дисках (НОД), проигры­вателями или приводами. Накопитель на гибких дисках чаще всего называют дисководом, а НЖМД — винчестером или жестким диском.

В зависимости от типа носителя ВЗУ можно подразделить на накопи­тели на магнитной ленте и дисковые накопители. Носитель — 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 с прямоугольной петлей гистерезиса. 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 и логической единице.

Таким образом, записывающая головка — это маленькие электромаг­ниты, которые своим электромагнитным полем изменяют ориентацию магнитных доменов в носителе, в зависимости от полярности протекающего по 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.

Винчестер содержит набор пластин, представляющих собой чаще все­го круглые 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 (толщина примерно 2 мм). Для записи данных используются обе по­верхности дисков. В современных НЖМД используется от 4 до 9 пластин. Шпиндель вращается с высокой постоянной скоростью (обычно 3600, 4500, 5400 или 7200 оборотов в минуту). Вращение дисков и радиальное переме­щение головок осуществляется с помощью двух электродвигателей.

Данные записываются или считываются с помощью головок записи и считывания, по одной на каждую поверхность диска. На рис. 7.5 упрощенно показаны головки, расположенные только с одной стороны диска (фактически их в 2 раза больше).

Запись информации на диск осуществляется по строго определенным местам — концентрическим дорожкам (трекам), причем дорожки делятся на секторы. В одном секторе может размещаться 128, 256, 512 или 1024 байта информации. Обмен данными между НМД и ОЗУ осуществляется последовательно целым числом секторов.

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.

Электромеханическая система перемещения головок называется позиционером, и она внешне напоминает конструкцию звукоснимателя (то­нарма) для грампластинок.

Вся конструкция винчестера заключается в герметичный корпус. Внутренняя полость винчестера заполняется очищенным от пыли воздухом, а внутри корпуса поддерживается атмосферное давление. При вращении дисков они создают сильный поток воздуха, который постоянно очищается фильтром. Система очистки воздуха позволяет удалить частицы пыли, диа­метр которых более 0,3 мкм.

При включении питания и достижении некоторой критической скоро­сти вращения шпинделя аэродинамическая подъемная сила воздуха становится достаточной для преодоления силы прижима головок к поверхности дисков. В результате головки поднимаются («всплывают») над поверхно­стями дисков на высоту от долей до единиц микрометра. С этого момента времени и до снижения скорости ниже критической головки «висят» на воз­душной подушке и не касаются поверхностей дисков.

Во время работы винчестера постоянно работает система слежения за радиальным положением головок над дисками. Из непрерывно считываемо­го сигнала выделяется сигнал рассогласования, который подается на схему обратной связи. Если головки отклоняются от середины дорожки, то мгно­венно возникает управляющий сигнал, стремящийся с помощью специаль­ных устройств вернуть их на место.

Кроме несъемных винчестеров конструкторами разработаны накопи­тели со сменными носителями. Эти конструкции позволяют извлечь диски из компьютера и, с целью сохранения конфиденциальности, унести их на ночь домой или положить в сейф. При разработке этого ВЗУ разработчикам пришлось решить сложную инженерную задачу: создать герметичный узел с жестким диском, который можно переносить в дипломате.

Еще одна оригинальная конструкторская идея заложена в накопитель Бернулли (Bernoulli). Воздушные потоки, возникающие вследствие враще­ния гибкого диска Бернулли, вызывают изгиб части поверхности диска, на­ходящейся под головкой. Однако диск не соприкасается с головкой, и между ними остается небольшой, достаточно стабильный зазор, который обеспечи­вается потоками воздуха. Уравнения для описания подобных процессов, происходящих в газах, вывел швейцарский математик Даниил Бернулли, (1700—1782).

Всякое нарушение нормальных условий работы накопителя Бернулли (например, появление загрязнения на поверхности диска) приводит к тому, что диск отклоняется от головки. Вращающийся диск практически не может соприкоснуться с головкой, благодаря чему накопитель обладает высокой стойкостью к износу. Использование рассмотренного явления значительно ослабляет проблему герметизации переносимых дисков.

Производительность диска зависит от следующих величин: времени доступа и скорости передачи данных.

Время доступа— это время, необходимое для позиционирования (перемещения) головок на соответствующую дорожку и ожидания поиска требуемого сектора. Среднее время перемещения головки между двумя случайно выбранными дорожками составляет 8 — 20 мс. Время пе­рехода головок на соседнюю дорожку (можно сказать, на соседний цилиндр) значительно меньше и обычно составляет 2 мс. Чтобы требуемый сектор по­вернулся до совмещения с головкой, необходимо некоторое время. После этого данные могут быть записаны или считаны. Для современных дисков время их полного оборота находится в пределах 8—16 мс, а среднее время ожидания сектора составляет 4—8 мс.

С помощью скорости передачи данных (трансфер) можно оценить время передачи последовательно расположенных данных из винчестера. Максимальное значение этой величины достигает 80 Мбайт/с.

Накопители на магнитной ленте в настоящее время используются для резервного копирования данных. Наиболее ценная информация с целью ее долговременного хранения записывается на магнитную пленку. Носителем информации является лавсановая лента, на которую нанесено магнитное ферролаковое покрытие.

Стример относится к накопителям на магнитной ленте, в котором за­пись информации происходит на кассету с магнитной пленкой. Стример по­зволяет освободить место на винчестере за счет того, что на него переписы­вается редко используемые программы и данные. Порой в качестве стримера используют обычный видеомагнитофон. Для этого компьютер должен быть укомплектован специальной платой — «АрВид».