2.2. Характеристика основных устройств персонального компьютера Микропроцессор

Микропроцессор (МП), иначе, центральный процессор (CPU - Central Processing Unit) – центральный блок ПК, расположенный на системной плате и предназначенный для выполнения арифметических и логических операции над данными, а также управления работой всех блоков машины.

Физически микропроцессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему (СБИС) — тонкую пластинку кристаллического кремния, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. В его состав входят:

• устройство управления (УУ), формирующее и подающее во все блоки ПК в нужные моменты времени определенные сигналы управления, обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций (например, формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ПК). Опорную последовательность импульсов устройство управления получает от генератора тактовых импульсов;

• арифметико-логическое устройство (АЛУ), предназначенное для выполнения всех арифметических и логических операций над числовыми и символьными данными;

• микропроцессорная память (МПП), служащая для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины;

• кэш-память – сверхоперативная память, недоступная программистам и используемая при обмене данными между АЛУ и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и скорости ввода-вывода информации ОП. Она строится по иерархическому принципу и включает несколько уровней. В частности, непосредственно в состав современных МП входит кэш-память первого уровня размером 8, 16 или 32 Кбайт, а также кэш-память второго уровня ёмкостью 256, 512 Кбайт и выше;

• интерфейсная система МП, реализующая сопряжение и связь с другими устройствами ПК. Включает внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода (ПВВ) и системной шиной.

Микропроцессор выполняет следующие функции:

• чтение и дешифрацию команд, поступающих из ОП;

• чтение данных из ОП и регистров адаптеров внешних устройств;

• прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;

• обработку данных и их запись в ОП и регистры адаптеров внешних устройств;

• выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.

Разрядность шины данных микропроцессора определяет разрядность ПК в целом; разрядность шины адреса МП – его адресное пространство.

Адресное пространство – это максимальное количество ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано микропроцессором.

По принципам построения все микропроцессоры можно разделить на три группы:

• МП типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором команд;

• МП типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набором команд;

• МП типа MISC (Minimum Instruction Set Computing) с минимальным набором команд и весьма высоким быстродействием.

Большинство современных ПК используют МП типа CISC, выпускаемых крупнейшим в мире игроком на этом рынке американской компанией Intel (доля мирового рынка 82,2%), а также компанией Advanced Micro Devices (доля рынка 16,6%), характеристики которых приведены в табл. 4.

Таблица 4.Характеристики наиболее распространенных микропроцессоров компанииIntel

Модель МП	Разрядность, бит		Тактовая частота, МГц	Кэш-память, Кбайт				Адресное пространство, байт	Число команд	Число элементов на кристалле	Год выпуска
	данных	адреса		L1	L2	L3
4004	4	4	4,77					4*103	45	2300	1971
8080	8	8	4,77					64*103		10000	1974
8088	8, 16	16	4,77 и 8					106	134	70000	1981
8086	16	16	4,77 и 8					106	134	70000	1982
80286	16	24	10-33					4*106 (виртуальное 109)		134000	1982
80386	32	32	25-50					16*106 (виртуальное 4*109)	240	275000	1985
80486	32	32	33-100					16*106 (виртуальное 4*109)	240	1,2*106	1989
Pentium	64	32	50-150	8+8				4*109	240	3,1*106	1993
Pentium Pro	64	64	66-200	8+8	256, 512 или 1024			До 65 Гбайт	240	5,5*106	1995
Pentium MMX	64	64	166-233	16+16	256, 512 или 1024			До 65 Гбайт	240+57 новых инструкций для мультимедиа	4,5*106	1997
Pentium II	64	32	233-450	16+16	512			До 4 Гбайт		7,8*106	1997
Intel Celeron			от 533 Мгц до выше 2 ГГц	32	128						1998
Pentium II Xeon	64	64	400-450	16+16	512 Кбайт или 1-2 Мбайта			До 65 Гбайт			1998
Pentium III Xeon, (ядро Katmai)	64	64	450-600	16+16	512				240+70 новых инструкций	9,5*106	1999
Pentium 4	64	64	Около 4 ГГц	16+16	512 Кбайт		до 4 Мбайт	До 65 Гбайт		169*106	2000

Все МП, начиная с модели 80486 DX, работают с умножением внутренней частоты, задаваемой генератором тактовых импульсов (ГТИ), выполненным в виде отдельной микросхемы. Частота ГТИ является одной из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Начиная с МП 80386 используется конвейерное выполнение команд – одновременное выполнение разных тактов последовательных команд в разных частях МП при непосредственной передаче результатов из одной части МП в другую.

Память

Память ПК строится с учетом того, что минимальной единицей информации является двоичная единица – бит. Адресуемой единицей памяти является байт – группа из 8 битов, т.е. каждый байт имеет свой номер, называемый его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, называемые словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово). Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации. Пример разбиения памяти на слова для 32-разрядных ПК представлен на рис. 9.

Байт 0	Байт 1	Байт 2	Байт 3	Байт 4	Байт 5	Байт 6	Байт 7
ПОЛУСЛОВО		ПОЛУСЛОВО		ПОЛУСЛОВО		ПОЛУСЛОВО
СЛОВО				СЛОВО
ДВОЙНОЕ СЛОВО

Рис. 9.Разбиение памяти на слова

Память современных ПК строится по иерархическому принципу и включает различные запоминающие устройства, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации. Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю.

В состав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

Оперативная память (ОП) (оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), RAM – Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

ОП используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам ОП прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Объем ОП обычно составляет от 32 Мбайт до 2 Гбайт.

Обычно ОП исполняется из интегральных микросхем памяти SDRAM (синхронное динамическое ОЗУ). Каждый информационный бит в SDRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки такие конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory). Микросхемы SDRAM имеют ёмкость 16-256 Мбит и более. Они устанавливаются в корпуса и собираются в модули памяти.

Большинство современных компьютеров комплектуются модулями типа DIMM (Dual-In-line Memory Module — модуль памяти с двухрядным расположением микросхем). В компьютерных системах на самых современных процессорах используются высокоскоростные модули Rambus DRAM (RIMM) и DDR DRAM.

Модули памяти характеризуются такими параметрами, как объем — (64, 128, 256, 512, 1024 Мбайт), число микросхем, паспортная частота, время доступа к данным.

Кэш-память – это сверхоперативная память небольшого объёма, используемая при обмене данными между МП и ОП для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и менее быстродействующей ОП (рис. 10). Она недоступна для пользователя (отсюда и произошло название кэш, сache – тайник).

Кэш-памятью управляет специальное устройство — контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памятиSRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем динамические (SDRAM).

В старшей модели МП Intel Pentium 4 560, работающей на тактовой частоте 3,6 ГГц и имеющей системную шину 800 МГц, кэш-память имеет три уровня и располагается на одном кристалле:

• 1-й уровень (L1) – 8 Кбайт (данные) + Execution Trace Cache (8 Кбайт – команды);

• 2-й уровень (L2) – 1024 Кбайт;

• 3-й уровень (L3) – 2048 Кбайт

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память, перепрограммируемая постоянная память, память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

• Постоянная память(ПЗУ, англ.ROM,Read Only Memory— память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом «зашивается» в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать. Прежде всего, в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

• Перепрограммируемая постоянная память(Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого. Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти —модуль BIOS. Роль BIOS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой стороны — важный модуль любой операционной системы.BIOS(Basic Input/Output System— базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.

• CMOS RAM— это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы. СодержимоеCMOSизменяется специальной программойSetup, находящейся вBIOS.

• Видеопамять(VRAM) — разновидность ОЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

Внешняя память (внешнее запоминающее устройство, ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:

Устройства ВЗУ весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков (рис. 11):

• по виду носителя;

• типу конструкции;

• по принципу записи и считывания информации;

• методу доступа и т.д.

Носитель – материальный объект, способный хранить информацию. В зависимости от типа носителя все ВЗУ можно подразделить на накопители на магнитной ленте и дисковые накопители.

В ПК используются стриммеры – накопители на кассетной магнитной ленте для создания и хранения архивных данных. Доступ к данным в таких устройствах основан на принципе последовательного доступа.

Диски относятся к машинным носителям информациис прямым доступом. Понятие прямой доступ означает, что ПК может «обратиться» к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где бы ни находилась головка записи/чтения накопителя.

Накопители на дисках весьма разнообразны (табл. 5):

• накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), иначе, нафлоппи-дискахили надискетах;

• накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) типа «винчестер»;

• накопители на оптических компакт-дисках CD-ROM;

• многоцелевые цифровые диски DVD;

• накопители на магнитооптических дисках (НМОД) и др.

Таблица 5.Сравнительные характеристики дисковых накопителей

Тип накопления	Емкость	Время доступа, мс	Трансфер, Кбайт/с	Вид доступа
НГМД	1,2; 1,44 Мбайт	65-100	150	Чтение/запись
Винчестер	20-300 Гбайт	8-20	500-3000	Чтение/запись
CD-ROM, CD-R, CD-RW	640Мбайт	15-300	150-1500	Только чтение, однократная запись, многократная запись
DVD	До 27 Гбайт	15-150	Свыше 1500	Только чтение, однократная запись, многократная запись
НМОД	128-1300	15-150	300-1000	Чтение/запись

Примечание:время доступа- средний временной интервал, в течение которого накопитель находит требуемые данные - представляет собой сумму времени для позиционирования головок чтения/записи на нужную дорожку и ожидания нужного сектора.Трансфер- скорость передачи данных при последовательном чтении.

В магнитных дисках (МД) в качестве запоминающей среды используются материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два магнитных состояния - два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры 0 и 1.

Диски бывают жесткими и гибкими, сменными и встроенными в ПК. Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом.

Все диски (магнитные, оптические, магнитно-оптические) характеризуются своим диаметром (форм-фактором): 3,5" (89 мм) и 5,25" (133 мм).

Информация на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей - дорожек (треков) (рис. 12). Количество дорожек на МД и их информационная емкость зависят от типа МД, конструкции накопителя на МД, качества магнитных головок и магнитного покрытия.

Каждая дорожка МД разбита на сектора. В одном секторе дорожки обычно помещается 512 байт данных. Обмен данными между НМД и ОП осуществляется последовательно целым числом секторов. Кластер – это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки.

Данные на дисках хранятся вфайлах, которые обычно отождествляют с участком (областью, полем) памяти на этих носителях информации.

Поле памяти создаваемому файлу выделяется кратным определенному количеству кластеров. Кластеры, выделяемые одному файлу, могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являются смежными. Файлы, хранящиеся в разбросанных по диску кластерах, называются фрагментированными.

Для пакетов магнитных дисков (диски установлены на одной оси) и для двухсторонних дисков вводится понятие цилиндра – совокупности дорожек МД, находящихся на одинаковом расстоянии от его центра.

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД)являются первым дисковым накопителем, примененном в ПК. Первый образец дискеты диаметром 8” и емкостью 100 Кбайт был создан компанией IBM в 1967 г. В 1976 г. размер гибкого диска уменьшили до 5,25”, а емкость довели до 360 Кбайт, а затем и 1,2 Мбайт. В 1980 г. компанияSonyразработала дискету и дисковод на 3,5”, емкость которой в последних моделях составила 2,88 Мбайта.

Скорость чтения/записи для 3,5” дисковода составляет около 63 Кбайт/с, среднее время поиска — порядка 80 мс. На диске располагается по 80 дорожек на каждой стороне, разбитых на 18 секторов. Каждую новая дискета перед началом работы с ней должна быть отформатирована.

Форматирование дискеты- это создание структуры записи информации на ее поверхности: разметка дорожек, секторов, записи маркеров и другой служебной информации.

Среди сменных накопителей высокой емкости наиболее известны так называемые «супер-флоппи», накопители на сменных жестких дисках, магнитооптические накопители. Примером являются накопители супер-флоппиLS-120емкостью 120 Мбайт. ПриводLS-120способен работать и со стандартными флоппи-дискетами емкостью 1,44 Мбайт. Основным недостаткомLS-120является очень низкая производительность.

В 1995 г. появился накопитель Zipпроизводства компанииIomega, использующий 3,5” гибкие диски емкостью 25 и 100 Мбайт (Zip Plus), несовместимые со стандартными флоппи-дисками. Среднее время поиска равно 29 мс. Скорость передачи данных лежит в пределах от 1,4 до 0,79 Мбайт/с. В последнее время появились дисководыZip 250для дисков емкостью 250 Мбайт. Они обладают обратной совместимостью по чтению и записи с дискетамиZipменьшей емкостью.

Дисководы типаUHC(Ultra High Capacity) разработаны фирмамиMitsumiиSwan Instruments. Принцип работы дисковода основан на эффекте Бернулли: используемый для записи гибкий диск вращается с частотой 3600 об/мин, прогибаясь за счет воздушного потока под головкой, благодаря чему между ней и диском сохраняется небольшой зазор и запись производится бесконтактным способом. Пиковая скорость передачи данных составляет 3,75 Мбайт/с, среднее время поиска равно 18 мс. Устройство позволяет работать со стандартными флоппи-дисками на 720 Кбайт и 1,44 Мбайт и с дискамиZipна 100 и 130 Мбайт.

Накопитель HiFD(High Capacity Floppy Disk— флоппи-диск высокой емкости) разработан и выпускается компаниямиSonyиFujiPhotofilmс конца 1998 г. ДискетаHiFDсоздана на основе стандартной 3,5” дискеты. В ней используется гибкий диск и бесконтактный метод записи. Скорость чтения/записи в непрерывном режиме лежит в пределах от 1,2 до 3,7 Мбайт/с, емкость носителя составляет 200 Мбайт. На носителе предварительно записан сервосигнал, позволяющий позиционировать головку чтения/записи. Накопитель совместим со стандартными 3,5” дискетами на 1,44 Мбайт, причем для чтения/записи 1,44 и 200 Мбайт дисков используется разный зазор между поверхностью диска и головкой.

В последнее время появились трехдюймовые дискеты, которые могут хранить до 3 Гбайт информации. Они изготавливаются по новой технологии Nano2и требуют специального оборудования для чтения и записи.

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) (HDD — Hard Disk Drive) предназначены для постоянного хранения информации большого объема. Принципы современной технологии изготовления жесткого диска были разработаны в 1973 г. фирмой IBM. Новое устройство, которое могло хранить до 16 килобайт информации, имело 30 цилиндров (дорожек) для записи, каждый из которых был разбит на 30 секторов. Поэтому оно получило название 30/30. Известные винтовки винчестер имеют калибр 30/30, поэтому жесткие диски тоже стали называться «винчестерами». Кроме того, разрабатывался жесткий диск в американском городе Винчестере.

Как правило, жесткий диск несъемный, но в настоящее время существуют модели съемных (removable) винчестеров.

Жесткий диск смонтирован на оси-шпинделе, который приводится в движение специальным двигателем. Он содержит от одного до десяти дисков (platters). Скорость вращения двигателя для обычных моделей может составлять 3600, 4500, 5400, 7200, 10000, 12000 об/мин. Сами диски представляют собой обработанные с высокой точностью керамические или алюминиевые пластины с магнитным покрытием — тонким слоем окиси хрома. Каждый диск разбит на последовательно расположенные дорожки-секторы, соответствующие зонам остаточной намагниченности, созданной головками. Объем памяти сектора равен 512 байтам.

Важнейшей частью винчестера являются головки чтения и записи (read-write head). Как правило, они находятся на специальном позиционере (head actuator). Для перемещения позиционера используются преимущественно линейные двигатели (типаvoice coil— «звуковая катушка»). В современных винчестерах применяются головки с усиленным магниторезистивным эффектом (GMR,Giant Magneto-Resistive), позволяющим увеличить плотность записи. Головки не касаются поверхностей дисков, а перемещаются над ними на расстоянии долей микрона.

Внутри любого винчестера обязательно находится электронная плата, которая расшифровывает команды контроллера жесткого диска, стабилизирует скорость вращения двигателя, генерирует сигналы для головок записи и усиливает их от головок чтения.

Основные характеристики НЖМД:

1. Габаритные размерывинчестеров характеризуются форм-фактором. Горизонтальный размер жесткого диска может быть определен одним из следующих значений: 1,8; 2,5; 3,5 или 5,25 дюйма. Вертикальный размер характеризуется обычно такими параметрами, как Full Height (FH), Half-Height (HH), Third-Height (или Low-Profile, LP). Винчестеры «полной» высоты имеют вертикальный размер более 3,25 дюйма (82,5 мм), «половинной» — 1,63 дюйма, а «низкопрофильные» — около 1 дюйма.

2. Емкость винчестерахарактеризует объем информации, который может быть записан. На середину 2004 года максимальная емкость дисков для настольных систем достигла 300 Гбайт.

3. Среднее время доступаопределяет временной интервал, в течение которого накопитель находит требуемые данные. Это время представляет собой сумму времен, необходимых для позиционирования головок на нужную дорожку и ожидания требуемого сектора. Для современных накопителей это время составляет обычно от 8 до 10 мс.

4. Для накопителей могут указываться как внутренняя(от носителя к встроенному интерфейсу привода), так ивнешняя скорость передачи данных(от накопителя к системной или локальной шине). У стандартных современных жестких дисков эта скорость составляет 15-17 Мбайт/с.

Максимальная емкость и скорость передачи данных существенно зависят от интерфейса, используемого НЖМД, под которым понимается механизм обмена данными между жестким диском и памятью компьютера. Интерфейс связывает винчестер с контроллером, подключенным к системной шине.

В настоящее время конкурируют два основных интерфейса жестких дисков:

1) IDE (Integrated Drive Electronics), предложенный фирмой IBM;

2) SCSI (Small Computer System Interface), предложенный ассоциацией SASI (Shugart Associates System Interface) и развиваемый Американским национальным институтом стандартов ANSI (American National Standart Institute).

Современная IDE-технология позволяет одновременно работать с четырьмя жесткими дисками. Самый современный протокол обмена данными Ultra DMA/33 Mode 2позволяет достигнуть в IDE-интерфейсе скорости передачи данных 33 Мбайт/с. Но дальнейшее развитие интерфейса возможно только путем изменения схем соединений и принципов передачи сигналов.

Дальнейшее развитие IDE-интерфейса связывается с переходом на высокоскоростную последовательную шину Firewire (IEEE-1394). Применение новой технологии позволит увеличить скорость передачи данных до 100 Мбайт/с.

Современный интерфейс Ultra SCSIиспользует шинную частоту 20 Мгц и позволяет поддерживать 16 устройств со скоростью передачи данных до 40 Мбайт/с. В 1999 г. компания Adaptec предложила новый стандартSCSIи выпустила серию SCSI-адаптеров на базе микросхемы AIC-3860, выполненной по технологииSpeedFlex. Усовершенствования базируются на применении технологииLVD(Low Voltage Differential— низковольтный дифференциал) и позволяют поднять скорость передачи данных до 80 Мбайт/с.

Другая перспективная технология SCSI-интерфейса получила название Fibre Channel-arbirated Loop(FC-AL). Она позволит подключать до 126 SCSI-устройств и обеспечит скорость передачи данных более 100 Мбайт/с.

Для повышения скорости обмена данными процессора с дисками НЖМД следует кэшировать. Кэш-память для дисков служит быстродействующим буфером памяти для кратковременного хранения информации, считываемой или записываемой на диск. Кэш-память может быть встроенной в дисковод, а может создаваться программным путем (например, драйвером Microsoft Smartdrive) в ОП. Скорость обмена данными процессора с кэш-памятью диска может достигать 100 Мбайт/с.

Картриджи сменных жестких дисков(removable hard disk drives) имеют металлическую или твердую полимерную основу и выполнены с использованием винчестерской технологии, причем носитель может быть как изолирован от внешней среды, так и нет.

Накопитель SyJetкомпании SyQuest выпускается в форм-факторе 3,5” и 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.

Накопитель Questвыпускается в форм-факторе 5,25” с интерфейсом Ultra Wide SCSI-II, имеет емкость 4,7 Гбайт и несколько большую, чем уSyJet, скорость передачи данных.

Накопитель SparQпроизводства компании SyQuest имеет форм-фактор 3,5”. В нем применяются картриджи емкостью 1 Гбайт. Среднее время доступа составляет 12 мс, скорость передачи данных лежит в пределах от 3,7 до 7,0 Мбайт/с для EIDE-устройства.

Накопители Jazкомпании Iomega имеет емкость 540 Мбайт, 1 и 2 Гбайт. В них также используются две 3,5” пластины в изолированном картридже. Привод выпускается с интерфейсом SCSI и имеет хорошие скоростные характеристики. Скорость вращения диска равна 5394 об/мин, среднее время поиска — 10-12 мс, скорость передачи данных лежит в пределах от 3,4 до 6,6 Мбайт/с для 1 Гбайт модели и от 4,9 до 8,7 Мбайт/с для 2 Гбайт модели.

Накопители на оптических дисках получили в последние годы большое распространение.

Оптический компакт-диск состоит из прочной, прозрачной основы (поликарбонатной или полихлорвиниловой), отражающего и защитных слоев. В качестве отражающей поверхности обычно используется слой напыленного алюминия, реже – золота. Цифровая информация представляется на отражающей поверхности чередованием впадин (неотражающих пятен) и отражающих свет участков. Диаметр компакт-диска обычно составляет 4,5”, но существуют диски меньшего диаметра —3,25”.

Компакт-диск имеет одну физическую дорожку в форме непрерывной спирали, идущей от наружного диаметра диска к внутреннему. Считывание информации с компакт-диска происходит с помощью лазерного луча, который, попадая на отражающий свет участок, отклоняется на фотодетектор, интерпретирующий сигнал как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, не отражается и фотодетектор фиксирует двоичный ноль.

Компьютерные компакт-диски содержат до 640 Мбайт информации.

Технология оптического диска была разработана и впервые продемонстрирована фирмой Philips в 1979 году.

В настоящее время широко применяются следующие типы оптических компакт-дисков:

1) Audio CD- аудиодиски для записи звука;

2)CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory) – неперезаписываемые компьютерные компакт-диски. Поставляются фирмой-изготовителем с уже записанной на них информацией. Запись информации осуществляется вне ПК, в лабораторных условиях лазерным лучом большой мощности, который оставляет на активном слое CD след - дорожку с микроскопическими впадинами. Таким образом создается первичный «мастер-диск». Процесс массового тиражирования CD-ROM по «мастер-диску» выполняется путем литья под давлением. В оптическом дисководе ПК эта дорожка читается лазерным лучом существенно меньшей мощности.

Время доступа (чтения информации) для различных моделей колеблется от 150 до 400 мс.

Скорость передачи данных для привода определяется скоростью вращения диска и плотностью записанных на нем данных. Обычно она указывается в сравнении со стандартом Audio CD (CD-DA), для которого скорость считывания данных составляет порядка 150 Кбайт/с.

Основным стандартом, определяющим логический и файловый формат записи компакт-дисков, является международная спецификация ISO 9660.

Основными интерфейсами приводов CD-ROM стали Enhanced IDE,UltraDMA/33иSCSI.

3) CD-R(CD Recordable) - перезаписываемый компакт-диск с однократной записью. Запись информации на диск осуществляется в самом ПК. Эти устройства широко применяются для архивирования данных, резервного копирования, хранения больших объемов информации и т.п. Привод CD-R позволяет также создать (или скопировать) аудиодиск, который можно будет воспроизводить на любой бытовой аудиоаппаратуре.

Для однократной записи применяют диски, называемые «золотыми» по цвету наиболее распространенного покрытия. Под покрытием находится отражающая поверхность, сделанная из тончайшей золотой пленки. При записи луч лазера с длиной волны 780 нм (как и при чтении, но с большей в 10 раз мощностью) «прожигает» эту пленку, так что прозрачность слоя изменяется, формируя последовательность нулей и единиц.

Носители на CD с однократной записью обладают очень высокой надежностью. Срок хранения чистого диска до записи составляет от 5 до 10 лет, а записанный диск может храниться по разным оценкам от 70 до 200 лет. Стандартный объем диска составляет 74 минуты (при записи аудиоданных), или 650 Мбайт. Важным достоинством CD-R дисков является возможность их чтения на любом приводе CD-ROM.

4) CD-RW CD-R(CD Read - Write) – компакт-диск с многократной перезаписью. Технология этих компакт-дисков позволяет не только записывать, но и стирать информацию. Она основана на технологииPhase Change— записи с изменением фазы, заключающейся в переходах рабочего слоя диска под действием луча лазера в кристаллическое или аморфное состояние с разной отражательной способностью. Недостатком CD-RW является тот факт, что диски CD-RW могут считываться только на новых (как правило, не хуже 16-скоростных) устройствах CD-ROM, поддерживающих технологиюMultiRead. Дело в том, что считывающий лазер для CD-RW должен иметь другую длину волны, так как при 780 нм отраженный сигнал слишком слаб. Кроме того, для хранения информации на CD-RW применяется файловая системаUDF, которую поддерживают не все операционные системы.

В конце 90-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:

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

• DVD-9 – односторонний двухслойный диск — 8,5 Гбайт;

• DVD-10 – двусторонний однослойный диск — 9,4 Гбайт;

• DVD-18 – двухсторонний двухслойный диск — 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.

DVD-диск имеет те же размеры, что и обычный CD.

Помимо чтения данных с DVD со скоростью порядка 1,2 Мбайт/с, накопители DVD способны читать обычные CD-ROM со скоростью, примерно соответствующей 8-10-скоростным приводам CD-ROM.

Диски DVD-Videoпредназначены для видеофильмов и могут проигрываться на бытовых DVD-плейерах. В отличие отDVD-ROMформатDVD-Videoпредусматривает использование шифрования содержимого, поэтому обычное устройство для чтения DVD-ROM не способно воспроизводить диски DVD-Video без специальной аппаратной или программно реализованной поддержки декодирования. На одностороннем однослойном диске DVD-Video может быть записан видеофильм в формате MPEG-2 длительностью около 133 мин., а на двухслойном одностороннем — 240 мин.

Диски DVD-RиDVD-RWявляются функциональными аналогами CD-R и CD-RW.

К рассматриваемому классу накопителей на оптических дисках относятся также перезаписываемые магнитооптические диски(СС-Е - Continuous Composite Erasable), которые используют лазерный луч для местного разогрева поверхности диска при записи информации магнитной головкой. Считывание информации выполняется лазерным лучом меньшей мощности.

Магнитооптические диски с однократной записью(СС WORM- ContinuousComposite Write Once Read Many) аналогичны обычным магнитооптическим накопителям с той разницей, что в них на контрольные дорожки дисков наносятся специальные метки, предотвращающие стирание и повторную запись на диск.

В магнитооптических накопителях запись информации обычно осуществляется за два прохода, поэтому скорость записи значительно меньше скорости считывания.

Емкость современных магнитооптических дисков доходит до 5,2 Гбайта, время доступа от 15 до 150 мс, скорость считывания до 2000 Кбайт/с.

Накопители на магнитной лентебыли первыми ВЗУ вычислительных машин. В универсальных ЭВМ широко использовались и используются накопители на бобинной магнитной ленте, а в персональных ЭВМ - накопители на кассетной магнитной ленте.

Кассеты с магнитной лентой (картриджи) весьма разнообразны: они отличаются как шириной применяемой магнитной ленты, так и конструкцией. Объемы хранимой на одной кассете информации постоянно растут. Так, емкость картриджей первого поколения, содержащих магнитную ленту длиной 120 м, шириной 3,81 мм с 2 - 4 дорожками, не превышала 25 Мбайт; в конце 80-х гг. появились картриджи с большей плотностью записи на ленте шириной четверть дюйма (Quarter Inch Cartridge) (стандартыQIC - 40/80); первые такие картриджи были выпущены фирмой ЗМ - кассетыDC300емкостью 60-250 Мбайт; последние модели картриджей (стандартQIC 3010-3020) имеют емкость 340, 680 и даже 840-1700 Мбайт и более. При сжатии данных может быть достигнута еще большая емкость, например, НКМЛ Conner CTD 8000 имеет емкость 8 Гбайт, Sony DDS-2 - 16 Гбайт при трансфере 250 Кбайт/с.

Лентопротяжные механизмы для картриджей носят название стриммеров- это инерционные механизмы, требующие после каждой остановки ленты ее небольшой перемотки назад (перепозиционирования). Скорость считывания информации с магнитной ленты в стриммерах обычно составляет около 100 Кбайт/с.

Следует упомянуть еще об одном типе памяти - USB Flash Drive– устройстве, соединившем в себе две прогрессивные технологии: порт USB, работающий по принципуPlug&Play– подключил и работай, без драйверов, инсталляций и т.п.; и Flash-память – носитель памяти, ранее использовавшийся только в компактных устройствах – карманных компьютерах и цифровых камерах. В 1999 г. компанияJMTekвыпустила первый накопитель, названныйUSB Drive– устройство размером с брелок для ключей, втыкавшееся в разъем USB и опознававшееся компьютером как винчестер объемом 16 МБ. Так появился новый класс переносных носителей информации.

В настоящее время на рынке существует несколько десятков производителей Flash Drive, объем памяти устройств достиг 1 Гбайта и выше, время доступа сопоставимо с обычным винчестером. Срок службы – более 10 лет.

Таким образом, ПК имеют четыре иерархических уровня памяти: микропроцессорную память, регистровую КЭШ-память, основную память, внешнюю память. Две важнейшие характеристики (емкость памяти и ее быстродействие) указанных типов памяти приведены в табл. 6.

Быстродействие МПП, кэш-памяти и ОП измеряется временем обращения t_обр к ним (сумма времени поиска, считывания и записи информации), а быстродействие ВЗУ - двумя параметрами: временем доступа t_д (время поиска информации на носителе) и скоростью считывания V_сч (скорость считывания смежных байтов информации подряд - трансфер).

Таблица 6. Сравнительные характеристики запоминающих устройств

Тип памяти	Емкость	Быстродействие
МПП	Десятки байт	tобр=0,001 - 0,004 мкс
Кэш-память	Десятки килобайт - мегабайты	tобр=0,002 - 0,005 мкс
ОП	Десятки – сотни мегабайт	tобр=0,07 - 0,1 мкс
НЖМД НГМД CD DVD	Сотни гигабайт Единицы мегабайт Сотни мегабайт - единицы гигабайт Единицы – десятки гигабайт	tд=7-30 мс Vсч=500-3000 Кбайт/с tд=50-100 мс Vсч=40-100 Кбайт/с tд=15-300 мс Vсч=150-1500 Кбайт/с tд=15-300 мс Vсчсвыше-1500 Кбайт/с