Курс лекций информатика

Рис. 23

К недостаткам жестких дисков следует отнести их высокую чувствительность к механическим воздействиям (вибрациям и толчкам), так как это может привести к повреждению магниточувствительного слоя головками.

Винчестерские диски разнообразны по своим характеристикам. Их информационная емкость колеблется от 1 до 120 Гб, а время доступа к данным варьирует в пределах 3,5 - 6 мс.

Для подключения дисков используется чаще всего IDE интерфейс (см. раздел 4.3).

Помимо винчестерских дисков, широко используемых на ПК, разработаны и применяются другие виды жестких магнитных дисков -

накопители на сменных жестких дисках (removable hard disk drive).

Накопитель SyJet в форм-факторе 3,5-дюйма использует изолированные от внешней среды картриджи емкостью 1,5 Гбайт, состоящие из двух пластин с 4 рабочими поверхностями. Головки чтения/записи также находятся внутри картриджа. Скорость вращения диска составляет 5400 об/мин, среднее время доступа — 11 мс, средняя скорость передачи данных — 5,7 Мбайт/с. Выпускаемые приводы имеют интерфейсы SCSI и LPT. Стоимость хранения информации на таких дисках выше, чем для обычных винчестеров.

Накопители Jaz компании Iomega имеет емкость 540 Мбайт, 1 и 2 Гбайт. В них также используются две 3,5-дюймовых пластины в

122

должны обеспечивать скорость передачи не менее 1,4 Мбит/с, или 150 Кбайт/с, что принято за "единичную" скорость. Удвоенная скорость обеспечивает поток в 300 Кбайт/с, учетверенная - в 600 и т.д. Как правило, на приводах указывается предельная скорость чтения в виде 40х, 52х и т.д.

Накопители на CD-ROM дисках не имеют возможности записывать информацию, отсюда и название - "только читаемая память". Несмотря на это, оказалось чрезвычайно удобным записывать на такие диски большие объемы не стираемой информации (библиографическую информацию библиотек, архивы научно-исследовательских институтов и т.п.). Большое количество информации из разнообразных банков данных в настоящее время переносится на CD-ROM и распространяется в таком виде.

Кроме CD-ROM появились дозаписываемые компакт-диски (CD-R) и перезаписываемые компакт-диски (CD-W). Эти модификации дисков читаются на всех приводах CD, а для записи требуют специальных устройств (CD-Writer).Емкость таких носителей составляет 650, 700 и 800 Мб.

Ведутся работы по созданию компакт-дисков большей емкости, в частности, предложены Double Density CD (диски двойной плотности, емкостью 1,3 Гбайт), MultiLevel CD (диски с многоуровневой записью емкостью 2 Гбайта)и др. В уменьшении длины волны лазера видят свой резерв создатели компакт-дисков высокой емкости – 4,7 Гб (CD-F).

В конце 1990-х годов появились компакт-диски нового поколения — DVD (Digital Versatile Disc — цифровой многоцелевой диск) с большой емкостью, которые применяются для записи полнометражных фильмов, звука сверхвысокого качества и мультимедийных компьютерных программ. Существуют несколько вариантов DVD, отличающихся по емкости: односторонние, двусторонние, однослойные и двухслойные.

Виды и особенности DVD дисков

124

Рис. 25

Односторонние однослойные DVD-диски имеют емкость 4,7 Гбайт информации, двухслойные — 8,5 Гбайт, двухсторонние однослойные вмещают 9,4 Гбайт, двухсторонние двухслойные — 17 Гбайт. Луч лазера в обычном приводе CD-ROM имеет длину волны 780 нм, а в устройствах DVD — от 635-до 650 нм, благодаря чему плотность записи существенно возросла. В настоящее время существуют четыре технологии, претендующие на «мировое господство» в сфере устройств хранения информации на сменных оптических дисках: DVD-R, DVD-RW, DVD-

RAM и DVD+RW.

Магнитооптические диски объединяют достижения магнитной и оптической технологий. Магнитооптические накопители записывают данные при помощи переменного магнитного поля (поля смещения) и луча лазера.

Поверхность носителя покрыта пленкой магнитного материала с высокой коэрцитивной силой, который не может быть перемагничен при обычной температуре приложенным к нему полем смещения. При нагревании лазером до определенной температуры (точки Кюри) свойства магнитного материала меняются и становится возможным перемагничивание участка. В остальное время диск практически нечувствителен к магнитному полю, поэтому на сегодня это один из самых надежных способов хранения и переноса данных. Считывание данных с носителя происходит также при помощи луча лазера, но уже меньшей

125

мощности. Здесь используется эффект Фарадея, заключающийся в изменении плоскости поляризации отраженного луча в зависимости от направления магнитного поля.

Современные накопители имеют форм-фактор 3,5 или 5,25 дюйма. Приводы с форм-фактором 5,25-дюйма используют диски объемом 650 Мбайт, 1,3, 2,6 и 5,2 Гбайт. Приводы размером 3,5-дюйма могут работать с дисками объемом 128, 230 и 640 Мбайт. В стандартах предусмотрены также 5,25-дюймовые диски на 10,4 Гбайт и 3,5-дюймовые диски на 1,3 и 2,6 Гбайт. Для большинства 5,25-дюймовых моделей скорость вращения диска равна 3000-3700 об/мин, среднее время поиска лежит в пределах от 17 до 35 мс. Для 3,5-дюймовых приводов среднее время поиска лежит в пределах от 30 до 70 мс, скорость вращения диска — от 2700 до 3600 об/мин, при этом производительность меняется от 1,8 до 3,9 Мбайт/с.

В качестве перспективных устройств хранения данных можно отметить сверхминиатюрные дисковые накопители Microdrive (емкость до 4,3 Гб) и модули флэш-памяти (емкостью 128, 256, 512 Мб и 1Гб).

Сверхминиатюрные дисковые накопители Microdrive

и модуль флэш-памяти Memory Stick

Рис. 26

Накопители на магнитной ленте (Tape drives). Магнитная лента -

один из старейших носителей информации, используемых в вычислительной технике. Ее непревзойденным и поныне достоинством

126

является относительная простота записи и считывания информации, компактность ее расположения при большой емкости, а также низкая стоимость носителя в пересчете на единицу хранимой информации.

Существуют несколько разновидностей накопителей на магнитной ленте, однако применительно к ПК наибольшее распространение получили стримеры.

Под стримером (streamer) обычно понимается накопитель на магнитной ленте (НМЛ), имеющий лентопротяжный механизм, который работает в инерционном режиме. Суть этого режима состоит в том, что длина отрезка магнитной ленты, проходящей мимо головки при остановке или перезапуске, превышает длину промежутка между блоками информации, записанными на ней. Вследствие этого после остановки ленту необходимо вернуть (перемотать) назад, и только выполнив эту операцию, можно перейти к следующему сеансу работы с лентой.

Внешний вид стримеров и картриджей

Рис. 27

При передаче больших объемов данных (десятки и тысячи килобайт) инерционный режим обладает неоспоримыми преимуществами перед применявшимся ранее старт-стопным режимом работы, так как в этом случае ленты могут обрабатываться на значительно более высокой скорости. Так как инерционный режим может использовать очень короткие промежутки между блоками информации, хранимый объем данных на ленте фиксированной длины может быть увеличен. Не следует,

127

однако, забывать об основном недостатке этого режима — сравнительно большом времени повторного позиционирования (обычно 0,1 — 2 с). Именно поэтому использующие инерционный режим стримеры применяются в основном для операций резервного копирования и архивирования данных с жестких дисков.

В качестве носителей информации в современных стримерах используют специальные кассеты — картриджи. Они различаются по внутреннему устройству и по ширине самой ленты и носят следующие названия: четвертьдюймовые картриджи QIC (Quarter Inch Cartridge), 8-мм картриджи, 4-мм картриджи DAT (Digital Audio Tape), 8-мм картриджи DLT (Digital Linear Tape). При записи информации на ленту контроллер стримера или программное обеспечение архивирования пытаются сжимать записываемую информацию, поэтому в качестве скорости записи и емкости картриджа принято указывать величины, вдвое превышающие настоящие скорости. Это не совсем соответствует действительности, так как при записи на ленту, например, архивов дополнительное сжатие приводит не к уменьшению, а скорее к увеличению объема записываемой информации.

Существует два варианта резервирования на стримере:

побитовое картирование (отображение) диска;

файловый режим.

Побитовое картирование подразумевает получение абсолютной физически полной копии информации диска на картридже ("бит в бит"). Этот процесс достаточно длительный, но он позволяет не заботиться о том, какие именно файлы подлежат резервированию, а какие нет. Кроме того, записываются также все служебные области диска. Этот процесс предпочтителен в том случае, когда исходный диск собираются подвергнуть какой-либо операции, связанной с возможным разрушением меток формата или нарушением целостности служебных областей.

Файловый режим позволяет производить резервирование данных с жесткого диска в виде последовательности файлов. При этом служебные

128

области диска, не имеющие файловой структуры (например, метка диска, стертые файлы и т.д.), не подвергаются резервированию. Такой режим удобен для повседневного архивного сохранения важнейших файлов.

4.9.Перспективы развития вычислительной техники

Машины не фон Неймановской архитектуры. Идеология фон Неймана позволила расширить область применения ЭВМ и позволила, в свое время, сделать огромный шаг в развитии вычислительной техники.

Наряду с этим существовали и продолжают существовать вычислительные системы, предназначенные для решения одной единственной задачи (например, в военном деле – определение траектории снаряда конкретного орудия). Такие системы, очевидно, не требуют изменения программы расчетов.

Работа "машины фон Неймана" происходит по принципу "машины Тьюринга" - под жестким управлением программы. Вычислительная машина, в которой выполнение примитивных операций инициируется наличием операндов получила название "машина, управляемая потоком данных".

В классических фон-неймановских машинах реализована концепция последовательного потока команд управления: операции (команды) выполняются последовательно, по мере того как в алгоритме достигается та или иная операция. В противоположность этому, в машине, управляемой потоком данных, имеется поток значений данных, который направлен от операций, генерирующих эти значения, к операциям, «потребляющим» эти значения в качестве операндов, причем операция выполняется сразу, как только будут известны все ее операнды. Поскольку результат выполнения одной операции может быть операндом для многих других операций и, следовательно, может одновременно инициировать выполнение многих операций, создаются условия для реализации высокой степени параллелизма. Архитектура машин, управляемых потоком данных,

— это один из наиболее ярких примеров не фон-неймановской

129

архитектуры. Поэтому эти машины представляют значительный интерес для исследователей. Традиционные языки программирования, которые предписывают строго определенный поток команд управления, плохо подходят для машин, управляемых потоком данных. Эти машины обычно программируются с использованием или языков с однократным присваиванием или декларативных языков.

При использовании декларативного языка в программе в явном виде указывается, какими свойствами должен обладать результат, но не говорится, каким способом он будет получен; подходит любой способ получения результата, обладающего требуемыми свойствами. Поскольку в основу декларативных языков заложены статические, а не динамические понятия (т. е. определяется «что», а не «как»), такие понятия, как упорядочение и поток команд управления, не имеют никакого отношения к этим языкам и в них нет каких-либо операторов присваивания. В идеальном случае программа на декларативном языке будет состоять только из неупорядоченной системы уравнений, характеризующей требуемый результат.

Не фон неймановская машина может не предусматривать последовательной передачи управления (т. е. может работать без какоголибо "счетчика команд", указывающего текущую точку, которая достигнута при выполнении программы); в ней, кроме того может не быть реализована концепция переменной (т. е. она может обходиться без "поименованных" ячеек памяти для хранения какой-либо переменной, к которой можно обращаться или которую можно изменять).

Примером не-фон-неймановской вычислительной архитектуры являются также "редукционная вычислительная машина". Здесь вычисляются арифметические выражения путем последовательного сокращения всех составляющих их подвыражений до тех пор, пока не останутся просто значения данных. Вычисления осуществляются способом подстановки. Для каждого выражения, которое не является просто значением данного, специальное множество правил определяет, какая

130

именно подстановка должна быть произведена при появлении этого выражения. Вычислительная машина выполняет расчет путем выбора для каждого подвыражения в вычисляемом выражении соответствующего ему правила и выполнения подстановок, определяемых этим правилом. Все подвыражения могут анализироваться по правилам и сокращаться одновременно; таким образом, появляется возможность обеспечения высокой степени параллелизма расчетов. Основной целью создания редукционных машин является именно использование такого параллелизма.

Для этих двух примеров характерна высокая степень параллелизма и не реализация концепции переменной, а наличие постоянных связей между именами и конкретными константами. Заметим, что определение "не-фон- неймановская" относится к машине, принципиально отличающейся от фон-неймановской модели, и обычно не используется применительно к многопроцессорной или многомашинной архитектурам, в рамках которых просто обеспечивается эффективное использование совокупности взаимодействующих фон-неймановских машин.

Предпосылки создания новых вычислительных систем. На протяжении нескольких последних десятилетий компьютерная технология развивается по пути все большей миниатюризации деталей. Микропроцессоры последних поколений содержат огромное число транзисторов (10 млн. и более), имеющих размеры в десятую долю микрона (10-7 метра). Следующий шаг в сторону микромира приведет к нанометрам (10-9 метра), миллиардам транзисторов в одном чипе и мы попадем в диапазон атомных размеров, где начинают действовать законы квантовой механики. Ричард Фейнман заметил, что законы физики не будут препятствовать уменьшению размеров вычисляющих устройств до тех пор, «пока биты не достигнут размеров атомов и квантовое поведение не станет доминирующим».

Другая проблема, указывающая на то, что современная технология создания компьютеров изживает себя — это проблема приближения к

131