Аверянов Основы современной информатики 2007

Позиционер – устройство, наводящее головку на нужную дорожку. Существует два варианта привода – поворотный и линейный, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. В обоих случаях привод осуществляется с помощью соленоидов.

Контроллер обеспечивает согласованное управление всеми элементами диска и передачу данных между компьютером и дисками (как правило, на базе микропроцессоров).

Накопители на жестких магнитных дисках применяются во всех используемых в настоящее время типах компьютеров и в зависимости от вида компьютера различаются:

по типу интерфейса – для персональных компьютеров, для серверов, для мейнфреймов и т.д.;

по типу размера накопителей – 3,5 дюйма для настольных систем, 2,5 дюйма для ноутбуков и других переносных систем;

по скорости вращения шпинделя: 15000, 10000, 7200, 5400 и 4200 об/мин.

Следует учитывать, что винчестер – устройство нежное и очень ненадежное (хотя определенные технологические успехи в этом направлении имеются). В то же время в ряде случаев информация, а не «железо» является наиболее важным ресурсом внешнего запоминающего устройства.

В связи с этим разработчики винчестеров предпринимают ряд решений, повышающих надежность хранения данных. Так, компания Western Digital представила технологию в рамках спецификации

S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Reporting Technology) – тех-

нология, принятая всеми ведущими производителями персональных компьютеров. Она предназначена для предотвращения потери информации путем предсказания возможности выхода из строя жестких дисков на основании результатов внутреннего тестирования состояния диска, а также выявления и восстановления информации в проблемных секторах. Происходит поиск поврежденных участков диска и перенесение информации в специально отведенные области.

Еще более кардинальным решением повышения надежности хранения информации является разработка так называемых RAID-

массивов (Redundant Array of Inexpensive Device – избыточные мас-

сивы недорогих устройств). Данная технология позволяет распределить данные по нескольким носителям. Это совокупность из нескольких, обычно недорогих жестких дисков, управляемых про-

51

граммно или специальным контроллером таким образом, что результат выглядит как одно устройство, обладающее всеми необходимыми свойствами – высокой надежностью и скоростью, а также большой емкостью.

НГМД (или флоппи-диски) – накопители на магнитной основе, появились в связи с распространением персональных компьютеров. Они обладают небольшой емкостью и довольно большим временем доступа. Однако их низкая стоимость и отсутствие жестких эксплуатационных требований при использовании и хранении дискет обеспечивают этому виду дисковой памяти высокую популярность у пользователей. Этот вид носителей используется для хранения личных архивов пользователей, очень удобен для обмена как прикладными, так и системными программами небольшого объема. В настоящее время используются дискеты диаметром 89 мм, емкость диска 1,44 Мбайт, однако последние разработки ряда фирм, в том числе Sony (разработавшей в 1980 г. FDD – 1,44 Мбайт), привели к появлению флоппи-дисков емкостью в 100 и более мегабайт.

У накопителях на магнитных барабанах была ограниченная область применения (в суперкомпьютерах), хотя и имелись сравнимые с жесткими дисками характеристики.

Один из главных недостатков НЖМД, являющегося на сегодняшний день основным системным ВЗУ, – это низкая надежность к внешним механическим воздействиям (ввиду очень малого расстояния между считывающей головкой и поверхностью диска). В связи с этим в последнее десятилетие активно развиваются новые технологии, которые связаны с применением оптических элементов. Ближе всего к традиционным НЖМД приближаются магнитооптические устройства (рис. 2.8).

В магнитооптическом устройстве для чтения и записи данных применяется лазер. При записи лазер разогревает маленькую зону носителя, с ростом температуры коэрцитивная сила материала падает, благодаря чему можно намагнитить разогретую зону слабым магнитным полем. При чтении данных луч лазера переключается на меньшую мощность и поляризуется (эффект Керра). Поскольку плоскость поляризации поворачивается при отражении луча от намагниченной среды, второй поляризующий фильтр (называемый анализатором) может преобразовать изменение интенсивности светового луча, которое в свою очередь фиксируется фотодетектором.

52

Оптические диски относятся к устройствам хранения информации со сменными носителями (так же, как и магнитная лента, НГМД и т.д.).

Первый оптический диск CD-ROM появился в 1984 г. Первоначально выпускалось два формата CD-DA (Digital Audio) и CDROM. Запись осуществлялась так же как и на всех дисках – на концентрических дорожках в виде небольших углублений – вдоль дорожек – ямок (ямка – 1, гладкая поверхность – 0). Изготовление производилось штамповкой. С помощью таких дисков производилось распространение фирменного программного продукта или аудиоинформации. Считывание осуществлялось с помощью луча лазера, который, отражаясь от плоского участка диска, оказывался в противофазе с падающим лучом, а интенсивность результирующего (отраженного) луча близка к нулю (нулевые биты). При отражении от ямки луч проходит 1/2 длины волны, оказывается в фазе с падающим лучом и усиливает его (единичные биты), что и фиксируется фотодетектором. С начала своего использования и до последнего времени CD-ROM интенсивно развивались. Емкость их достигла 800 Мбайт, скорость считывания – 9 Мбайт/с (при скорости вращения до 12000 об/мин). При этом значительное удаление головки от поверхности диска существенно повышает его надежность. Правда, на сегодняшний день (после 2000 г.) он уже не в состоянии конкурировать с приближающимся к нему по цене CD-RW

и DVD-ROM.

Первый записывающий диск с однократной записью (WORM – Write Once Read Many) CD-R (Recordable) был выпущен фирмой

Philips в 1993 г. В качестве «болванок» использовались обычные (как и для CD-ROM) поликарбонатовые диски, покрытые специальным красителем (цианиновым, фталоцианиновым или азокрасителем), на поверхность которого напыляется тончайших слой отражающего благородного металла (обычно чистого серебра или золота). При записи сфокусированный лазерный луч физически выжигает отражающую поверхность, и слой красителя образует непрозрачные участки, аналогичные ямкам в обычном штампованном CD. Развитие этих устройств в сторону многократной записи привело к появлению CD-WARM (Write And Read Many times). В

конце прошлого века CD-R были вытеснены более универсальны-

ми CD-RW.

54

В CD-RW активным слоем является специальный поликристаллический сплав (серебро-индий-сурьма-теллур), который переходит в жидкое состояние при сильном нагреве (500 – 700 °С) лазером. При последующем быстром остывании жидких участков они остаются в аморфном состоянии, поэтому их отражающая способность отличается от поликристаллических участков. Возврат аморфных участков в кристаллическое состояние осуществляется путем более слабого нагрева – ниже точки плавления, но выше точки кристаллизации (~ 200 °С). Выше и ниже активного слоя располагаются два слоя диэлектрика (обычно диоксид кремния), отводящие от активного слоя лишнее тепло в процессе записи. Сверху все это прикрыто отражающим слоем, а весь «сэндвич» нанесен на поликарбонатовую основу, в которой выпрессованы специальные углубления. В накопителе CD-RW используются три режима работы лазера, отличающиеся мощностью луча: режим записи (максимальная мощность, обеспечивающая переход активного слоя в неотражающее, аморфное состояние); режим стирания (возвращает активный слой в отражающее, кристаллическое состояние); режим чтения – самая низкая мощность (не влияющая на состояние активного слоя).

Максимально достижимая емкость дисков CD – 650 – 700 Мбайт. Невозможность дальнейшего увеличения ресурса (по емкости) этих дисков привели к появлению дисков DVD.

Первоначально этот диск должен был прийти на смену видеокассет и расшифровывался как Digital Video Disk, т.е. цифровой диск. В дальнейшем это формат стал применяться в вычислительной технике, и его название поменялось на Digital Versatile Disk – цифровой многофункциональный диск. В 1995 году появился единый стандарт, состоящий из пяти разновидностей: DVD-ROM; DVD-Video; DVDAudio; DVD-R и DVD-RAM. Два последних стандарта в дальнейшем были преобразованы в DVD-RW; DVD+RW и DVD+R.

Каким же образом удалось значительно (в 7 – 25 раз) увеличить объем диска?

Во-первых, вместо инфракрасного (ИК) лазера с длиной волны 780 нм был применен лазер красного диапазона 650 нм. При этом произошло уменьшение размера (диаметра) углублений с 0,83 до 0,4 нм. Вследствие этого шаг дорожек уменьшился с 1,6 до 0,74 нм. Это привело к увеличению емкости диска в 4,5 раза.

55

Во-вторых, были разработаны двухслойные диски (материал первого отражающего слоя является полупрозрачным), это дает возможность увеличить емкость еще почти в 2 раза.

В-третьих, были разработаны двухсторонние диски, что позволило еще в два раза увеличить общую емкость дисков (правда диск приходится переворачивать вручную). Возможны четыре варианта дисков DVD: односторонний, однослойный – 4,7 Гбайт; односторонний, двухслойный – 8,5Гбайт; двухсторонний, однослойный – 9,4 Гбайт и двухсторонний, двухслойный – 17 Гбайт.

Основное направление развития индустрии оптических дисков производители связывают с использованием лазера сине-фиолето- вого диапазона с длиной волны 405 нм. Несмотря на значительные технологические трудности, некоторые фирмы осваивают этот диапазон. Так поступили сообщения, что фирма Sony выпустила

DVD-blue емкостью 22,5 Гбайт.

При большой емкости и высокой надежности слабым местом этих устройств является большое время доступа (десятки и даже сотни миллисекунд).

Печатающие устройства. Они служат для вывода программ, данных и результатов обработки на бумажную ленту различной ширины, а также на отдельные листы бумаги. Было разработано большое количество разнообразных устройств печати, применяемых для различных классов компьютеров (рис. 2.9), большая часть из которых в настоящее время уже не используется.

Устройства ударного действия сравнительно дешевы, позволяют изготавливать несколько копий, качество печати вполне удовлетворительное для традиционных применений компьютеров. К недостаткам этих устройств относят повышенный уровень шума и сравнительно невысокую надежность. На больших компьютерах наибольшее распространение в свое время получили высокоскоростные ал- фавитно-цифровые печатающие устройства (АЦПУ). Скорость печати этих устройств от 600 до 1800 строк в минуту, они относятся к построчно-печатающим устройствам параллельного действия. Знаконоситель в этих устройствах – литерный, обычно вращающийся с высокой скоростью цилиндрический барабан (может быть шаровой

56

или ленточный носитель литер). Устройство содержало ряд ударных механизмов, равных количеству знаков в строке (длине барабана), а также буферное запоминающее устройство, хранящее информацию об одной строке. На малых компьютерах применялись рычажнолитерные и знакосинтезирующие устройства последовательного действия, в которых печатающий узел последовательно знак за знаком пробегает строку. Эти устройства имели невысокую скорость печати, малые размеры и стоимость, так как, во-первых, использовалась кинематика телетайпа (пишущей машинки), а во-вторых, изображение знака создавалось игольчатой матрицей, содержащей 5х7 или 7х9 точек.

Принтеры безударного действия лишены многих недостатков ударных. Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются лазерные (электрооптические) и струйные принтеры. Они обладают очень высокой скоростью печати, очень высоким качеством и надежностью. Однако стоимость таких устройств и их обслуживание значительно дороже, поэтому целесообразно их коллективное использование в приложениях, требующих высокого качества печати.

Печатающие устройства, получившие широкое распространение

вперсональных компьютерах, применяются и для изготовления графических изображений (в том числе и цветных), предварительно созданных на экране графического дисплея. Правда, эти устройства принципиально отличаются от традиционных графопостроителей (плоттеров), поскольку пишущий узел последовательно пробегает всю поверхность бумаги строчку за строчкой, оставляя след

вместах копируемого изображения (бумага перемещается только в одном направлении). Скорость изготовления рисунка невысока.

Можно выделить два вида таких устройств:

1.Устройства графического вывода. К ним относятся коорди-

натографы и графопостроители планшетного и рулонного типа. В этих устройствах пишущий узел двигается непосредственно по линии изображения под управлением последовательности команд и программного обеспечения графического вывода. Графопостроители ориентированы на изготовление чертежей различного формата, координатографы обладают несколько более высокой точностью и могут применяться для гравировки и изготовления печатных плат (при этом пишущий узел заменяется резцом).

58

2. Устройства ввода графической информации. Это планшет-

ные устройства (дигитайзеры), обеспечивающие считывание, т.е. распознавание графических элементов (точка, линия, элементарный фрагмент) и их кодирование – преобразование в цифровой код по установленным правилам.

По степени участия человека в процессе считывания устройства ввода графической информации разделяют на автоматические и полуавтоматические. В связи с расширением сферы использования персональных компьютеров различные фирмы освоили производство автоматических и ручных устройств, предназначенных для ввода изображений (в том числе и цветных) или текстов без использования клавиатуры – сканеров. Стоимость их высока.

Дисплеи. Дисплеи относятся к периферийным интерактивным устройствам, являясь основным средством общения человекапользователя с компьютером. Под дисплеем следует иметь ввиду три функционально различных устройства – монитор, предназначенный для вывода информации из компьютера, различные устройства для ввода информации и графические адаптеры, которые уже давно вышли за рамки своих прямых функций вывода на экран монитора подготовленного процессором изображения, став графическими ускорителями, выполняя операции по обработке графики, включая расчетные функции. Таким образом, адаптеры, забрав часть функций ЦП превратились в высокоскоростные графические процессоры. Очень высокая скорость вывода информации (включая графическую), удобной для восприятия человеком, и возможность оперативного вмешательства в процесс решения задачи сделали дисплей незаменимым устройством для общения с компьютером. Мониторы являются важнейшей частью графической системы. Качество изображения является ключевым фактором (хотя и не единственным), которое определяется выбранным типом монитора.

В качестве мониторов в компьютерах, до последнего времени, применяются два типа устройств. Это традиционные мониторы на базе электронно-лучевых трубок (ЭЛТ), которые для получения изображения используют принцип телевизионного растра, вторыми являются устройства, использующие плоские панели. Плоские панели, или экраны матричного типа, могут основываться на разных технологиях: жидкокристаллической, плазменной (газоразрядной), твердотельной, автоэлектронно-эмиссионной и др. Все они сейчас

59

активно развиваются, но в массовых масштабах в компьютерной области применяется только одна их разновидность – жидкокри-

сталлические (ЖК, LCD – Liguid Crystal Display)*.

ЖК-технологии не являют собой что-то однородное, скорее всего это конгломерат решений, объединенный общим принципом. Можно рассматривать разнообразие актуальных подходов как свидетельство интенсивного развития этой области.

В течение ряда лет, начиная с 2000 г., развитие компьютерных мониторов проходило в виде скрытого или явного соревнования этих двух основных технологий. Если до 2000 г. ЭЛТ были вне конкуренции, то затем ситуация стала резко меняться.

Среди основных недостатков ЭЛТ являются следующие: относительная громоздкость, особенно при экранах большого размера – 17 дюймов и выше, глубина монитора становится соизмеримой с размером экрана, и второй недостаток, который стал более заметен

всвязи с появлением плоских панелей, – не плоский экран. Правда, даже такие консервативные элементы, как ЭЛТ постоянно совершенствуются. Экраны становятся более плоскими, повышается яркость и контрастность изображения, уменьшаются габариты, снижается энергопотребление. Хотя следует отметить, что серьезных технологических прорывов в этом классе мониторов (которые имеют длительную историю) ожидать не приходится.

*Жидкие кристаллы были открыты в 1888 г. австрийским ботаником (ученым, занимающимся флорой) Фридрихом Рейницером в процессе изучения значения холестерина в растениях. Он выделил некоторое вещество, странным образом ведшее себя при нагревании – оно мутнело и начинало течь раньше, чем обращалось в темную жидкость. Субстанцию с секретом Рейницер вручил германскому физику Отто Леману, который обнаружил у нее еще одну необычность. Жидкость

всвоих оптических свойствах вела себя как кристалл. Так, в науку вошло гранди-

озное изобретение под названием «жидкий кристалл». ЖК – так называемая метаморфоза, состояние между твердым и изотпропным состояниями вещества: оно и текущее, и сохраняет порядок расположения молекул; состояние в некоторых случаях устойчиво в большом диапазоне температур. По тем временам изобретение оказалось совершенно бесполезное на практике.

Текучее вещество впервые пристроили к делу через 80 лет после его открытия: компания RCA (Radio Corporation of America) произвела на свет первый в мире функционирующий дисплей.

Во второй половине 70-х годов (1970 г.) ЖК-технология начала активно внедряться в портативных устройствах – главным образом, калькуляторах и цифровых часах.

60