Глава 2.5. Устройства хранения данных. Жесткие диски и сменные носители.

Оперативная память хранит только те данные, которые необходимы компьютеру в данный момент, и очищается при выключении компьютера. Поэтому в состав компьютерной системы должны входить устройства долговременного хранения данных, т.е. те устройства, в которых хранятся все программы и данные независимо от того, включен компьютер или выключен.

Устройства долговременного хранения данных можно классифицировать разными способами.

По функциональному назначению и степени автономности можно различают два типа таких устройств.

1. Жесткий диск.

2. Сменные носители.

Жесткий диск,HDD (Hard Disk Driver) является внутренним устройством компьютера, он расположен в системном блоке. Это основное устройство долговременного хранения данных. Любой укомплектованный настольный ПК имеет хотя бы один жесткий диск. Подключается жесткий диск к материнской плате через интерфейсыIDE(ATA), Serial ATA(SATA) илиSCSI. Сейчас идет процесс постепенного перехода от старого параллельного интерфейсаIDE(Integrated Drive Electronics) к более новому последовательному интерфейсуSATA(Serial Advanced Technology Attachment). ИнтерфейсSATA по сравнению сIDE обладает двумя основными преимуществами – более высокой скоростью передачи данных и отсутствием необходимости использовать громоздкие передающие шлейфы. При этом важно, что скорость передачи данных поSATA может еще увеличиваться в последующих разработках, а скорость передачи поIDE уже достигла своего теоретического предела. ИнтерфейсSCSI используется в том случае, когда необходимо организовать параллельную работу нескольких жестких дисков. Это очень актуально для серверов, для ПК такая необходимость возникает редко.

Основной характеристикой жесткого диска является его объем, измеряемый в гигабайтах (GB). Существуют жесткие диски объемом от 40 GBдо500 GBи выше.

В серверных системах часто используют набор из нескольких жестких дисков, объединенных в так называемый RAID-массив,управляемый специальнымRAID-контроллером. ОбъемRAID-массива равен суммарному объему входящих в него жестких дисков, причем, весьRAID массив образует единое дисковое пространство, т.е. работает с данными, как один очень большой жесткий диск.

Жесткий диск может быть выполнен и в виде переносного устройства. В этом случае он выполняется в отдельном корпусе и подключается к компьютеру через интерфейсы USB-2илиFireWire.Такое устройство относится уже к сменным носителям данных.

Все устройства долговременного хранения данных, кроме внутреннего жесткого диска, являются сменными носителями данных. Примеры этих устройств мы рассмотрим далее.

По способу записи данных устройства хранения данных делятся на 4 типа.

1. Магнитные.

2. Оптические.

3. Электронные.

4. Магнитооптические.

Магнитные устройства хранения данных. Примером такого устройства является уже рассмотренный жесткий диск. Все такие устройства состоят из диска или пакета соосных дисков и считывающей/записывающей головки (системы считывающих/записывающих головок). Каждый диск покрыт ферромагнитным веществом, состоящим из отдельных зерен (доменов). Каждый домен или группу доменов можно намагнитить (установить значение 1) или размагнитить (установить значение 0). Таким образом, каждая магнитная ячейка, состоящая из одного домена или из нескольких доменов, может хранить 1 бит данных. Запись или чтение данных происходит при помощи магнитной головки. В процессе работы диск раскручивается до большой скорости (5400, 7200, 10000, 12000 или 15000 оборотов в минуту, обозначается5400 rpm, 7200 rpm и т.д.), а головка может двигаться вдоль радиуса от периферии к центру и обратно.

Перемещения головки дискретны, каждому ее положению соответствует часть поверхности диска в виде узкого кольца. Такое кольцо называется магнитной дорожкой. При фиксированном положении головки можно считать данные с фиксированной дорожки (или записать на нее). Если в носителе используется не один диск, а система дисков, то возникает понятиецилиндра– совокупности дорожек разных дисков, находящихся друг под другом. Кроме деления на дорожки диск делится радиальными линиями на равные угловыесекторы диска. Пересечение дорожки с таким угловым сектором образуетсектор дорожкиилиблок– ему соответствует минимальный объем данных, который может быть считан с диска или записан на диск (использование терминов «сектор диска» и «сектор дорожки» иногда приводит к путанице, словом «сектор» обычно обозначается именно сектор дорожки, т.е. блок). Сектор (блок) включает в себя несколько тысяч или несколько десятков тысяч магнитных ячеек. Для увеличения скорости обмена данными используется электронный буфер, состоящий из элементовSRAM.

Наиболее важной характеристикой носителя данных является его объем, поэтому самая важная задача при разработке таких устройств – максимальное увеличение плотности записи данных. Для этого необходимо увеличить количество магнитных ячеек на единицу поверхности диска, т.е. максимально уменьшить размер каждой ячейки, определяемый размером домена, размером наконечника головки и расстоянием между наконечником головки и поверхностью диска. Наиболее сложно обеспечить очень малое (и строго определенное!) расстояние между наконечником головки и поверхностью диска. В современных HDDдля этого используется принцип «парящей головки»: поток воздуха от вращающегося диска приподнимает головку на насколько микрон от поверхности, и она постоянно удерживается в таком положении.

Кроме HDD к магнитным носителям данныхFDD, ZIP, JAZ, стримеры с магнитными лентами и некоторые другие устройства.

FDD(Floppy Disk Driver) – устройства хранения данных на дискетах диаметром 3,5 дюйма (3,5” = 8,4 см)емкостью 1,44 МБ.FDD состоит из привода, располагаемого в системном блоке, и съемных дискет. Для подключения приводаFDD к материнской плате используется специальный интерфейс и соответствующий шлейф. Несмотря на очень маленькую емкость каждой дискеты и малую скорость доступа к данным, эти устройства до сих пор широко используются из-за своей дешевизны (стоимость дискеты – несколько центов, стоимость привода – несколько долларов).

Устройства ZIP иJAZаналогичныFDD, но используют диски значительно большей емкости (от 100МБ до 1ГБ), однако в настоящее время эти устройства вытеснены перезаписываемыми оптическими накопителями и электронными флэш-накопителями.

Стримеры– устройства записи на магнитную ленту используются для резервного хранения больших объемов данных. Стримеры в отличие от большинства других носителей данных это – устройства последовательного доступа: для того, чтобы прочитатьn-ю запись на магнитной ленте, нужно сначала прочитатьn-1 предыдущих. Такая особенность не позволяет использовать стримеры для каких-либо целей, кроме резервного хранения данных или хранения их при транспортировке, но для этих целей стримеры весьма эффективны. Выпускаются стримеры, записывающие данные на магнитные ленты емкости от 40 ГБ до 800 ГБ. Стримеры для записи на ленты большой емкости (200 – 800 ГБ) - это очень дорогие устройства, их стоимость может во много раз превышать стоимость среднего ПК.

Оптические устройства хранения данныхиспользуют для считывания или записи данных лазерный луч. Рассмотрим различные типы оптических носителей данных.

1) CD (оптическийCompact Disk). Обычно используют одно и то же обозначение и для устройства чтения/записи и для самих съемных носителей. РазличаютCD ROM (CD Read Only Memory – не перезаписываемый носитель),CD-R (CD-Recordable,однократно записываемый носитель),CD-RW (CD-ReWritable,многократно перезаписываемый носитель). Оптический носитель, на который записываются данные, представляет собой съемный диск, состоящий из 2-х плотно соединенных пластиковых дисков с тонким оптическим информационным слоем между ними. На информационном слое располагается спиральная дорожка, состоящая из чередующихся темных (поглощающих свет) и светлых (отражающих свет) точек.Каждая такая точка представляет 1 бит данных.

Тип CD зависит от способа реализации информационного оптического слоя.

В промышленно выпускаемых CD ROM темные точки представляют собой выемки (питы) глубиной около 1 мкм, в одном из двух соединенных пластиковых дисков. На этот (перфорированный) диск наносится тонкий слой отражающего металла (алюминия или золота).

В CD-R иCD-RW отражатель наносится на неперфорированный диск, а между ним и вторым диском помещается тонкий (около 1 мкм) слой специального светочувствительного вещества. ВCD-R используется прозрачное вещество, темнеющее под воздействием мощного лазерного луча. ВCD-RW используется вещество, имеющее 2 кристаллических состояния 1-прозрачное, 2-непрозрачное, под воздействием мощного лазерного луча происходит переход из 1-го состояние во 2-е и обратно. Количество циклов перезаписиRW-диска ограничено. Следует также отметить, что дискиCD-RW читаются не на всех устройствахCD-ROM

В процессе работы (при считывании и записи данных) оптический диск раскручивается до угловой скорости около 10000 об/мин. Считывание данных происходит при помощи радиально перемещающейся оптической головки, содержащей маломощный лазер, освещающий диск, и датчик, анализирующий отраженный луч, и таким образом, распознающий темные и светлые точки. Запись данных происходит аналогично, но при этом используется гораздо более мощный лазер.

Стандартным считается CD-диск диаметра 5,25” (около 13 см). Емкость таких дисков составляет 600-800 МБ. Есть и диски меньшего диаметра и, соответственно меньшего объема. Скорость обмена данными сCD диском измеряется (так исторически сложилось) по отношению к скорости 150 кБ/с. Например, скорость 50х означает на самом деле скорость 150 кБ/с50 = 7,5 МБ/с. В стандартныхCD–дисководах скорость чтения составляет 52х, а скорость записи (дляCD-R иCD-RW) обычно не превышает 8х.

Привод CD располагается в системном блоке компьютера и подключается к материнской плате через интерфейсIDE.

2) DVD (Digital Video Disk или Digital Versatile Disk). В DVD используются те же физические принципы записи и чтения данных, что и в CD, но по сравнению с CD, формат DVD значительно усовершенствован. Можно выделить следующие преимущества DVD по сравнению с CD.

• более высокая плотность записи данных за счет меньшего расстояния между питами;

• возможность использования 2-х информационных слоев (1-й – полупрозрачный);

• возможность двухсторонней записи;

• встроенная возможность защиты данных от несанкционированного использования и копирования.

Выпускаются следующие типы DVD дисков.

• DVD-5 - односторонний однослойный диск емкостью 4,7 Гб;

• DVD-9 - односторонний двухслойный диск емкостью 8,5 Гб;

• DVD-10 - двухсторонний однослойный диск емкостью 9,4 Гб;

• DVD-14 - двухсторонний диск: на одной стороне - один слой, на другой - два; емкость - 13,2 Гб;

• DVD-18 - двухсторонний двухслойный диск емкостью 17 Гб.

Наиболее распространенные типы DVD-5 и DVD-10. Остальные значительно дороже, поэтому встречаются сравнительно редко.

По внешнему виду CD-диски и DVD-диски почти не отличаются. Любое устройство чтения DVD читает также и CD-диски.

Запись на DVD также происходит аналогично записи на CD. Однако необходимо отметить одну особенность. Есть устройства, способные записывать только однослойные DVD диски (обозначаются DVD-R, DVD-RW), а есть устройства, способные записывать и двухслойные диски (обозначаются DVD+R, DVD+RW). Если устройство может перезаписывать диски RW, то оно способно и записывать диски R (но не наоборот). Кроме стандартов DVD-R, DWD-RW, DVD+R, DVD+RV существует еще один несовместимый с ними стандарт DVD-RAM (DVD-Random Access Memory). Диски DVD-RAM несовместимы с другими DVD-устройствами, но зато такие диски можно перезаписать намного больше раз, чем DVD-RW и DVD+RW - не менее 100000 раз. Информация на DVD-RAM может храниться до 30 лет.

Подключаются DVD-приводы так же как и CD-приводы, причем любой DVD-привод может читать и CD-диски.

Дальнейшее развитие оптических носителей данных ожидается в виде появления форматов HD-DVD, Blue-Ray и EVD. В HD-DVD плотность записи составляет 15 ГБ на один слой. В Blue-Ray емкость оптического диска увеличивается до 30 ГБ на слой за счет использования коротковолнового (синего) лазера. Стандарт EVD разработан в Китае и рассчитан только для видео.

Электронные устройства в качестве сменных носителей данных появились сравнительно недавно, но за очень короткое время 3-4 года заняли значительную часть рынка. Это объясняется явными потребительскими преимуществами таких устройств – малыми размерами, отсутствием движущихся частей, высоким быстродействием и т.д. Подавляющее число этих устройств строится на использовании элементов флэш-памяти.

Флэш-память- особый вид энергонезависимой (не требующей энергии для хранения данных) перезаписываемой полупроводниковой памяти.

Ячейка флэш-памяти, не относится к двум, рассмотренным ранее типам ячеек RAM, она представляет третий тип, и состоит из одного полевого транзистора или из двух полевых транзисторов с особой электрически изолированной областью – плавающим затвором (floating gate), способным хранить заряд до нескольких лет. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации. Существуют ячейки флэш-памяти, хранящие более одного бита данных. Флэш-память не может использоваться вRAM по двум причинам: флэш-память работает существенно медленнееSRAM иDRAM и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разных типов).

Благодаря низкому энергопотреблению, компактности, долговечности и относительно высокому быстродействию, флэш-память идеально подходит для использования в качестве накопителя в любых малогабаритных электронных устройствах

Существуют несколько типов накопителей на основе флэш-памяти.

1) USB флэш накопители– миниатюрные устройства емкостью от 64 МБ до нескольких ГБ, подключающиеся к компьютеру через интерфейсUSB. Размеры такого устройства не превышают размеры небольшого брелка.USB флэш-накопитель очень удобен для хранения и транспортировки небольших и средних объемов данных, он, например, позволяет, постоянно иметь при себе всю наиболее ценную информацию.

2) Флэш-карты– миниатюрные носители данных, размеры которых по длине и ширине не превышают 2-3 см, а толщина – 1-2 мм. Существуют различный типы флэш-карт, например,CF(Compact Fllash), CD(Secure Digital) и др. Объем памяти у флэш-карт находится в пределах от 16 МБ до нескольких ГБ, скорость обмена данными от 1 МБ/с до 20 МБ/с . Флэш-карты используются в таких портативных устройствах, как: цифровые фото- и видео камеры, сотовые телефоны, портативные компьютеры, MP3-плееры, цифровые диктофоны, и т.п. Для использования флэш-карт с настольным ПК, к нему подключается специальное устройство – Card Reader. Обычно занести данные в компьютер с флэш-карты, установленной в цифровом фотоаппарате,MP3-плеере и в других подобных устройствах, можно и непосредственно – черезUSB-порт.

Магнитооптические устройства(МО) появились в результате объединения двух технологий - лазерной и магнитной. В МО для размагничивания доменов ферромагнитного покрытия используется лазер, а для намагничивания и считывания – магнитная головка. Преимуществом магнитооптических дисков является сравнительно большой объем (1 – 3 ГБ) при диаметре 3,5” (как у обычной дискеты). Устройства магнитооптической записи являются весьма дорогими, что сдерживает их широкое распространение. В настоящее время такие устройства вытесняются оптическими и электронными носителями.