Внешние запоминающие устройства
ВЗУ являются важной составной частью ПК, обеспечивая долговременное хранение данных и программ на различных носителях информации. В персональных ЭВМ наиболее широкое распространение получили ВЗУ на основе магнитных и оптических дисков, также применяются накопители, использующие технологию FLASH. Мы рассмотрим применяемые в ПК внешние запоминающие устройства в порядке их появления.
Накопители на гибких магнитных дисках – НГМД –FDD–Floppydiskdrivesявляются устройствамисо сменным носителем информации. НГМД был впервые представлен фирмойIBMв 1971 году, диаметр диска составлял тогда 8 дюймов, а емкость – 80 Кбайт. Для записи данных использовалась только одна сторона диска. В 1976 году появилась привычная для многих дискета формата 5,25”, емкостью 110 Кбайт, к 1984 на эту дискету помещалось уже 1,2 Мбайта информации. Привод для работы с такими дисками впервые был выпущен компаниейTeac. В 1981 году фирмаSonyвыводит на рынок дискету диаметром 89мм (3,5”) и дисковод для нее. Именно этот тип дискеты станет стандартом в мире ПК после того, какIBMиспользует ее в машинах серииPS/2. Емкость таких дискет составляет от 360 (первые экземпляры) до 2880 Кбайт (дискетыQD–QuadDensity). «Трехдюймовые» дискеты в настоящее время активно вытесняются накопителями, использующими технологиюFLASH, однако до сих пор многие продолжают использовать этот недорогой и привычный носитель информации.
Устройство дискеты 3,5” показано на рисунке. Цифрами обозначены:
Рисунок 10. Устройство дискеты
Переключатель защиты от записи. В углу дискеты находится небольшое прямоугольное отверстие, которое может быть открыто или закрыто специальной защелкой. Дисковод анализирует состояние этого отверстия и, если оно открыто, отказывается производить запись на диск. Пользователю при этом отправляется сообщение о том, что диск защищен от записи.
Металлический диск с двумя прямоугольными отверстиями. За него шпиндельный привод дисковода вращает собственно магнитный диск. Два отверстия нужны для того, чтобы установка диска в привод происходила всегда в одном и том же положении. Это необходимо для того, чтобы секторапри форматировании располагались на своих, строго определенных местах.
Металлическая (или пластиковая) шторка, предохраняющая магнитный диск от повреждений. При установке дискеты в привод она сдвигается вбок, открывая магнитным головкам дисковода доступ к поверхности диска.
Пластиковый корпус дискеты. Хотя эти диски и принято называть гибкими (floppy), такое название для дискет 3,5” – всего лишь дань традиции. «Трехдюймовые» дискеты имеют жесткий корпус, и при попытке согнуть такую дискету она неизбежно будет испорчена.
Внутреннее покрытие корпуса из ворсистого нетканого материала. Его назначение – очищать поверхность диска от попавшей внутрь пыли и предохранять его от повреждений об элементы конструкции дискеты, такие как пружина шторки и т.д.
Собственно магнитный диск. Лавсановая основа с напыленным с обеих сторон магнитным слоем. С 1981 года состав этого слоя трижды изменялся, поскольку увеличение плотности записи данных на диск требовало повышения коэрцитивной силымагнитного покрытия. Соответственно запись на дискеты с разным покрытием должна производиться при различных значениях силы тока в магнитной головке, чтение с разных дисков тоже имеет свои нюансы. Для того, чтобы привод мог различать дискеты различной емкости, в 1984 году в их конструкцию был введен индикатор плотности. Он расположен напротив переключателя защиты от записи и представляет собой такое же отверстие (на дискетах 360 Кб отверстия нет, на дискетах 2880 Кб отверстий два – одно под другим). Эти отверстия не могут быть закрыты никакими защелками. Анализируя их наличие (и количество), привод определяет тип вставленной в него дискеты.
Сектор. Он не является физической частью дискеты. Поверхность магнитного диска логически разделена на некоторое количество (обычно 80) дорожек, хранящих данные. Сектор – это участок дорожки, данные с которого поступают в компьютер в ходе одной операции чтения (то же касается и записи). Дискеты наиболее популярного формата 1440 Кб размечены таким образом, что на каждой их стороне имеется по 80 дорожек, каждая из которых разбита на 18 секторов. Каждый сектор, соответственно, хранит по 512 байт данных.
Для соединения с компьютером НГМД используют специальный 34-контактный интерфейс, не изменявшийся с конца семидесятых годов прошлого века. Примечательно, что современные производители ПК не спешат убирать поддержку флоппи-дисководов из своих изделий. Так происходит потому, что спектр задач, в которых гибкие диски находят применение, до сих пор довольно широк. Существуют, к примеру, вполне современные версии операционных систем, предусматривающие загрузку с одной или двух дискет и последующее полноценное функционирование компьютера в качестве, например, маршрутизатора или «тонкого клиента» с доступом в Web. Такие решения позволяют исключить из состава ПК другие виды внешних запоминающих устройств, такие как накопители на оптических дисках или НЖМД.
Накопители на жестких магнитных дисках– НЖМД – HDD –HardDiskDrivesявляются устройствами с несменным носителем. Основное конструктивное отличие НЖМД от НГМД заключается в том, что блок магнитных головок, система позиционирования ипакетмагнитных дисков находятся в едином герметично закрытом корпусе. Сами диски обычно имеют металлическую основу. Такой накопитель был впервые применен фирмойIBMв 1973 году.
Герметизация диска в накопителе позволила добиться качественного увеличения его характеристик благодаря идеальной чистоте рабочих поверхностей. Плавающие над поверхностями дисков магнитные головки дали возможность резко (в десятки раз по сравнению с ГМД) увеличить скорость вращения пакета дисков, в котором могут находиться до четырех пластин. Перечисленные выше конструктивные особенности НЖМД дают понять, что емкость и быстродействие жестких дисков во много (сотни тысяч) раз превышают соответствующие параметры НГМД. Для обмена информацией между жестким диском и компьютером интерфейс гибких дисков оказался совершенно непригоден. С 1973 года жесткие диски поменяли пять типов интерфейсов:
ST506/412.Диски с таким интерфейсом поддерживались машинамиIBMPCXT. Он был разработан в начале 80-х фирмойSeagateTechnologies, допускал подключение двух накопителей к одному контроллеру и не отличался высокими характеристиками. Фактически накопитель с этим интерфейсом представлял собой увеличенную копию НГМД. Название интерфейса происходит от названия первого накопителя, в котором он использовался.
ESDI – Enhanced Small Drive Interface. Появился в середине 80-х годов и представлял собой улучшенную версиюST506/412. Улучшения касались скорости работы и максимальной поддерживаемой емкости дисков. СESDIмогли работать устройства объемом до 760 Мбайт, по тем временам это была очень большая цифра. Как иST506/412,ESDIбыл последовательным интерфейсом, то есть данные от диска/к диску передавались побитно по единственному предназначенному для этого проводнику.
SCSI–SmallComputerSystemInterface(произносится как "скази") является универсальным интерфейсом для любых классов устройств. В отличие отST412/ST506 иESDI, вSCSIотсутствует ориентация на работу именно с жесткими дисками - он лишь определяет протокол обмена командами и данными между равноправными устройствами; фактическиSCSIявляется упрощенным вариантом системной шины компьютера, поддерживающим до восьми устройств. Такая организация требует от устройств наличия определенного интеллекта - например, в винчестерахSCSIвсе функции кодирования/декодирования, поиска сектора, коррекции ошибок и т.п. возлагаются на встроенную электронику, а внешнийSCSI-контроллер выполняет функции обмена данными между устройством и компьютером - часто в автономном режиме, без участия центрального процессора (режимыDMAилиBusMastering).SCSI–SmallComputerSystemInterface, в отличие от предыдущих интерфейсов, является параллельным, то есть данные в нем передаются одновременно по нескольким проводникам. Это дополнительно повышает его быстродействие по сравнению с ранее рассмотренными интерфейсами. Каждый контроллерSCSIв состоянии одновременно обслуживать до семи устройств (восьмым является сам контроллер). Современные версии этого интерфейса применяются до сих пор, однако сфера их применения ограничена главным образом серверами и высокопроизводительными рабочими станциями.
IDE–IntegratedDriveElectronicsилиATA(ATAttachment- подключаемый кAT) - простой и недорогой интерфейс, впервые появившийся вPCAT. Все функции по управлению накопителем обеспечивает встроенный контроллер, а 40-проводной соединительный кабель является фактически упрощенным сегментом 16-разрядной магистралиAT-Bus(ISA). Простейшие адаптерыIDEсодержали только адресный дешифратор - все остальные сигналы заводились прямо на разъемISA. АдаптерыIDEобычно не содержали собственногоBIOS- все функции поддержкиIDEбыли встроены в системныйBIOSPCAT. Однако интеллектуальные или кэширующие контроллеры могут иметь собственныйBIOS, подменяющий часть или все функции системного. Основной режим работы устройствIDE- программный обмен (PIO) под управлением центрального процессора, однако все современные винчестерыEIDE(EnhancedIDE) поддерживают обмен в режимеDMA, а большинство контроллеров - режимBusMastering. СтандартUltraATA (называемый также ATA-33 иUltraDMA-33) предложен фирмамиIntelиQuantum. В нем повышена скорость передачи данных (до 33 Мб/с), предусмотрено стробирование передаваемых данных со стороны передатчика (в прежних ATA стробирование всегда выполняется контроллером) для устранения проблем с задержками сигналов, а также введена возможность контроля передаваемых данных (метод CRC). В 1999 году введена разновидностьUltraATA-66 с режимом обменаUltraDMA-66, выполняемом с максимальной скоростью 66 Мб/с. Все четыре разновидности имеют одинаковую физическую реализацию - 40-контактный разъем, но поддерживают разные режимы работы, наборы команд и скорости обмена по шине. Все интерфейсы совместимы снизу вверх (например, винчестерEIDEможет работать с контроллером ATA, но не все режимы контроллераUltraATA-66 возможны для винчестера ATA). Отдельно стоит стандарт ATAPI (ATAPacketInterface- пакетный интерфейс ATA), представляющий собой расширение ATA для подключения устройств прочих типов (оптических приводов, стримеров и т.п.). ATAPI не изменяет физических характеристик ATA - он лишь вводит протоколы обмена пакетами команд и данных, наподобие SCSI. Каждый контроллерIDEдопускает одновременное подключение двух устройств в режимахMaster(ведущий) иSlave(ведомый). Режим обычно выбирается перемычками на корпусе устройства. Также несколько контроллеровIDEв одном компьютере могут работать одновременно. В настоящее время интерфейсIDEподдерживает обмен данными со скоростью до 133 Мб/с, однако он постепенно уходит в прошлое, уступая место новому стандарту –SerialATA.
SATA – Serial AT Attachment. Появление нового интерфейса для подключения современных жестких дисков не случайно было воспринято всеми причастными к компьютерным технологиям с интересом - предыдущий интерфейс (который тут же получил названиеParallelATA,PATA) уже не мог обеспечить дальнейшего развития технологий. Фактически, он достиг своего предела на скорости обмена данными 133 Мбит/с. Да и то, достижение подобной скорости несколько выбило разработчиков из привычной колеи - ведь потребовалось применение нового кабеля с дополнительными экранирующими проводниками, что неизбежно сказалось и на стоимости, и на совместимости. По этой же причине нежелательным стало подключение двух накопителей разных типов на один шлейф, поскольку параметры канала устанавливались в соответствие самому "медленному" из подключенных интерфейсов. Приходилось выкручиваться: или подключать "старый" накопитель к другому каналуIDE, параллельно накопителюCD, или вообще избавляться от него. Причем первый вариант не всегда был возможен, поскольку у многих было установлено два накопителя - например, связка из проигрывателяDVDиCD-RW. Поэтому интерес был очевиден. Скорость передачи данных в самой первой версии интерфейса составляет 150 Мб/с. В более свежих спецификациях заявлена максимальная скорость обмена данными до 600 Мб/с. Если быть предельно точным, то происходит ступенчатое продвижение на рынок трех поколений интерфейсаSerialATA- второе обеспечивает скорость до 300 Мб/с, а третье, соответственно, до 600 Мб/с. (Хотя пока не совсем ясно, как разработчики накопителей на жестких дисках собираются использовать весь потенциал канала с такой высокой пропускной способностью, ведь скорость чтения с пластин заведомо ниже). Тем не менее, в области пропускной способности канала все ясно - разработчиков накопителей уже ничто не ограничивает. Но это не единственная сильная сторона новой разработки. В качестве второго по значимости фактора стоит упомянуть кардинально новую организацию подключения устройств. Главное преимущество - это возможность "горячего" подключения устройств. Данный факт существенно упрощает манипуляции с накопителями. Кроме того, новый кабель для подключения тоже полностью изменился - теперь он насчитывает всего семь проводов, выполнен плоским и тонким. И, самое главное, длина его может достигать метра. Для интерфейсаPATAдлина шлейфа ограничивалась 46 см. Такое исполнение кабеля дает целый ряд преимуществ: экономится место на системной плате, появляется возможность аккуратной прокладки и, что немаловажно, новая конструкция кабеля не создает проблем вентиляции корпуса. Что касается разъема питания, то его конструкция также подверглась переработке. В частности, помимо привычных +5 В и +12 В на разъем завели еще и +3,3 В. Сигнальный интерфейс работает с пониженным напряжением - +3 В, что снижает энергопотребление устройства и упрощает интеграцию контроллера на материнскую плату. Интересно, что когда интерфейсSATAтолько-только появился, некоторые производители снабжали свои накопители дублирующим разъемом питания старого образца, строго предупреждая "ни в коем случае не подключать оба питающих разъема одновременно - во избежание выхода устройства из строя". Такая конструкция делала переход на новый стандарт менее болезненным для пользователя, поскольку материнские платы, как правило, снабжались шлейфом передачи данных и редко - переходником для подключения питания. Еще одна особенность заключается в том, что интерфейсSerialATAподразумевает наличие полностью независимых каналов - то есть старая классификацияMaster-Slave"осталась за бортом". Каждое устройство подключается к своему каналу и никак не влияет на остальные. В дополнение ко всему, этот интерфейс обладает встроенными средствами контроля ошибок – ЕСС. Кстати, хотя с появлениемUltraATA33 и была введена проверка целостности данных поCRC, средств обнаружения и исправления ошибок в этом интерфейсе так и не появилось.
Накопители на оптических дисках. Технология оптической записи информации на диск появилась в 1961 году в Стэндфордском университете США. Запись информации осуществлялась фотографическими методами в виде светлых точек и черточек на темном фоне. Воспроизведение производилось путем просвечивания видеодиска лучом ртутной лампы. В семидесятые годы технология оптических дисков была доведена до промышленного производства и конкурировала с дисками механической (Telefunken,Decka), емкостной (RCA) и магнитной (Bogen) видеозаписи. В 1975 году продавались звуковые диски сразу нескольких фирм —Philips,Sony,Hitachi,Mitsubishi,Sanyoи ряда других. Самыми похожими на современные оптические носители были образцы фирмыPhilips. Диаметр диска составлял 12 см (у всех других — 30 см), время звучания — 1 час. В июне 1979 года между фирмамиPhilipsиSonyбыл заключен договор о совместной разработке системы оптической записи звука.
Работы по созданию систем оптических дисков проводились и в нашей стране. В 1975 году в структуре ВНИИРПА им. А. C. Попова была сформирована научная группа с целью разработки и реализации технологий записи и воспроизведения звуковой информации студийного качества на оптических носителях. Сложность создания таких систем в то время заключалась в отсутствии в распоряжении наших ученых полупроводниковых лазеров. Во многом именно это и определило дальнейшую судьбу отечественного компакт-диска. Для работы накопителей приходилось использовать газовый лазер ЛГ-75, который представлял собой довольно тяжелую трубку 20 сантиметров длиной. Он закреплялся неподвижно, а диск располагался на подвижной каретке, которая перемещалась по мере считывания или записи информации. Сейчас, как известно, сервопривод оптических накопителей устроен противоположным способом: диск укреплен на неподвижной панели, а перемещается оптическая головка с лазерным диодом.
Модель отечественного оптического проигрывателя дисков «Луч-002» демонстрировалась на ВДНХ за два года до появления на мировом рынке компакт-диска. Миллионы телезрителей увидели лазерный проигрыватель и оптический диск, а также услышали, как он звучит. На него была записана мелодия из кинофильма «Мой ласковый и нежный зверь». Новинка вызвала значительный интерес со стороны различных предприятий, производящих бытовую электронику. Однако ни одно из них не располагало технологиями изготовления полупроводниковых лазеров и необходимых оптико-механических блоков. Нужна была кооперация. К сожалению, из-за междоусобной борьбы различных министерств за финансирование отечественные CD так и не увидели свет.
В 1980 году компании PhilipsиSonyпредставили новый стандарт лазерного диска — CD-DA (CompactDiskDigitalAudio). Он определял способ записи и обработки звука, а также размер нового носителя — 12 см, который используется и сегодня. Почему именно таким был выбран диаметр диска? Существует версия, по которой 12-сантиметровый диск полностью вмещает Девятую симфонию Бетховена. За следующие 15 лет технология CD прошла путь от музыкальных дисков до универсального носителя хранения информации. Несмотря на то, что на сегодняшний день она исчерпала свои возможности и на смену ей пришли более совершенные носители (DVD,BluRay), CD будут активно использоваться еще несколько лет.
Стандарт DVD создавался довольно интересно. К концу 1994 года стали появляться сообщения о том, что компании SonyиPhilipsготовы представить новый носитель информации, созданный на основе технологии CD. Название носителя несколько раз менялось в процессе разработки, отражая основные намерения разработчиков на том или ином этапе: MMCD (MultiMediaCD), HD-DVD (HighDensityDigitalVideoDisk) и HD-CD (HighDensityCompactDisk). Предполагалось, что проигрыватели новой системы будут совместимы со всеми существовавшими на тот момент носителями в формате CD. Однако обратной совместимости быть не могло — проигрыватели CD и CD-ROM не смогли бы воспроизводить диски MMCD.
Причина несовместимости объяснялась большим числом технических новшеств, справиться с которыми CD-устройства не могли. Во-первых, диск MMCD имел двухслойную структуру. Над обычным отражающим информационным слоем располагался еще один информационный слой — полупрозрачный. Расстояние между ними было 0,04 мкм, толщина каждого слоя — 0,05 мкм, что вдвое меньше, чем у CD. В остальном структура MMCD была та же — поликарбонатная подложка (1,2 мм) с одной стороны от информационного слоя и защитный лаковый слой (10 мкм) — с другой. Поверх последнего располагается этикетка (маркируемая поверхность).
Каждый слой MMCD-диска должен был нести в 6 раз больше информации, чем целый CD — 3,7 Гб. Всего на двухслойном диске предполагалось разместить 7,4 Гб. Такой большой емкости удалось достичь за счет более короткой длины волны излучения считывающего лазера — 0,635 мкм (против 0,78 мкм у накопителей CD), и более совершенной оптической системы. Новая оптическая система привода с такими параметрами позволила получить гораздо меньшее световое пятно. Последнее, в свою очередь, обеспечивает возможность уменьшения геометрических размеров питов (единиц записи информации) более чем в 2 раза, и расстояния между дорожками. При использовании компрессии по стандарту MPEG2 на таком диске можно разместить 135 минут видеозаписи вещательного качества.
Вскоре выяснилось, что не только SonyиPhilipsзаняты разработкой нового оптического носителя информации высокой плотности. Группа крупнейших мировых компании во главе сToshiba(Matsushita,Hitachi,Pioneer,Thomson, MCA,TimeWarnerи MCM) неожиданно для многих предложила свой стандарт на дисковый носитель, весьма напоминающий MMCD. Этот стандарт также имел несколько названий: SD-DVD (SuperDensityDigitalVideoDisk) и SDD (SuperDensityDisk). Основные параметры этой технологии совпадают с MMCD. SD-DVD тоже имел двухслойную структуру, однако она была реализована принципиально иначе. Две половинки диска (каждая толщиной 0,6 мм) склеивались между собой со стороны информационного слоя. Поэтому считывание такого диска могло производиться с обеих сторон.
Очевидно, что глубина расположения информационного слоя у SD-DVD получается вдвое меньше, чем у MMCD. Однако емкость каждой стороны оказывается больше — 5 Гб, т. е. 10 Гб на весь диск против 7,4 Гб у MMCD. Это в 15 раз больше, чем у обычного CD. Для записи видеофильмов предполагалось также использовать компрессию MPEG2.
Сходство новых стандартов, разработанных совершенно разными компаниями, не могло не вызвать различных замечаний и толков. Однако объяснялось все просто. Летом 1994 года консорциум крупнейших компаний индустрии развлечений HollywoodDigitalVideoDiskAdvisoryGroup, включающий в себяColumbiaPictures, MGM,Disney, MCA/Universal,Paramount,ViacomиWarnerBrothers, подготовил ряд предложений, касающихся новых носителей видео. Целью было значительно улучшить качество видеопродукции и максимально защитить авторские права на нее.
В связи с этим выдвинутые предложения были обсуждены с крупнейшими фирмами-производителями аппаратуры видеозаписи. В результате основными свойствами нового носителя должны были стать следующие:
возможность записи на один диск полнометражного художественного фильма;
качество изображения должно быть лучше, чем у любого существующего видеоаппарата, включая проигрыватель лазерных видеодисков;
новые накопители должны быть совместимы со всеми существующими CD-устройствами;
должна быть обеспечена возможность записи звукового сопровождения не менее чем на трех-пяти языках;
запись должна быть защищена от пиратского копирования;
должна быть предусмотрена возможность изменения формата записи, т. к. в будущем предполагается расширение рынка широкоэкранных фильмов;
должна быть предусмотрена возможность записи на одном диске нескольких версий одного и того же материала с возможностью введения пароля.
Поскольку никто не был заинтересован в существовании двух схожих форматов, HollywoodVideoDiskAdvisoryGroupиComputerIndustryTechnicalWorkingGroupпотребовали создать единый стандарт, отказавшись поддерживать как MMCD, так и SD-DVD.
В результате в сентябре 1995 года был создан единый стандарт, получивший название DVD. Через год появились DVD-ROM и DVD-Video, а в январе 1997 года проигрыватели, накопители и диски DVD были представлены общественности на выставке бытовой техники в Лас-Вегасе, США.
Первоначально накопители на оптических дисках создавались как устройства, способные лишь считывать информацию с носителей. «Запись» производилась изготовителем дисков путем штамповки поликарбонатных копий со стеклянной матрицы. Информация кодировалась микрорельефом на поверхности диска, при этом нулем являлся так называемый «пит» - углубление в материале диска, а единицей – ровный участок поверхности. Впоследствии появились технологии, позволившие потребителю производить сначала однократную запись на чистые диски-болванки, а потом и многократную перезапись таких дисков. Диски для однократной записи представляют собой такую же поликарбонатную пластину, как и CD-ROM, однако под отражающим слоем у них находитсярегистрирующий. Материал регистрирующего слоя обладает способностью темнеть под воздействием высокой температуры. При записи такого диска записывающий лазер избирательно нагревает элементы регистрирующего слоя, образуя на нем последовательность темных (которые потом воспринимаются считывающей головкой, как питы) и светлых участков.
Что касается дисков для многократной перезаписи, то у них в регистрирующем слое применяется особый класс материалов, которые способны при нагреве переходить из кристаллического состояния в аморфное и обратно, изменяя при этом свою отражающую способность.
Что касается устройства оптических накопителей, то оно не претерпело каких-либо значительных изменений с момента появления первого привода CD-ROM. Схема записи и чтения данных приведена на рисунке 10.
Рисунок 11. Принцип записи информации на оптический диск.
Одну деталь на этом рисунке необходимо пояснить. Для различения сигналов от записывающего и считывающего лазеров применяют разделение сигналов с помощью поляризации. Не вдаваясь в сущность этого способа, скажем лишь, что детектор, настроенный на прием горизонтально поляризованного сигнала, невосприимчив к вертикально поляризованному и наоборот.