10.2. Внешняя память

Современный человек не в состоянии жить без информации. Но информации имеет такую особенность — ее надо где–то хранить. Систем хранения информации сейчас довольно много. Ее можно хранить на магнитных носителях, можно хранить на оптических и магнитооптических носителях. Но перед человеком в наше время также стоит довольно важная проблема — перенос информации из одного места в другое, а также не менее важная проблема хранения информации, и как следствие, надежность носителей. Именно поэтому так быстро развивались технологии, связанные с хранением информации. Жесткий диск – основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. На самом деле это не один диск, а несколько МД, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Над каждой поверхностью располагается головка, предназначенная для чтения-записи данных.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость, производительность и среднее время доступа.

• Емкость зависит от технологии их изготовления. В настоящее время достигнут технологический уровень 6,4 Гб на пластину, но развитие продолжается. Теоретический предел емкости составляет порядка 20 Гб.

• Производительность диска – это скорость внутренней передачи данных (от МД в ОП). Она в большей степени зависит от характеристик интерфейса, с помощью которого ЖД связан с материнской платой.

• Среднее время доступа – это интервал времени, требуемый для поиска нужных данных. Оно зависит от скорости вращения диска.

Непосредственно чтением и записью данных на жесткий диск занимается контроллер ЖД. Первоначально он выполнялся как отдельное устройство, но в настоящее время основные функции контроллера интегрированы в сам ЖД. Доступ к нему обеспечивает специальный интерфейс IDE, который интегрируется в материнскую плату, или SCSI, который реализуется как отдельный адаптер. Диск с интерфейсом SCSI более производительный, чем диск с интерфейсом IDE, но стоит он дороже.

В современных ЖД реализована технология SMART – технология самоконтроля, анализа и оповещения. Она позволяет предупреждать о возможных физических дефектах поверхности диска до того, как они станут опасными для хранимых данных. Механизм контроля регистрирует статистику работы ЖД: срок службы, обнаруженные ошибки. Эти данные сохраняются в течение всего срока службы ЖД. Накопленная информация может быть выдана по специальному запросу. По ним можно судить о механическом состоянии диска и прогнозировать срок его дальнейшей службы. Технология SMART ориентирована в первую очередь на SCSI диски.

Гибкие диски – используются для оперативного переноса информации с одного ПК на другой, а также для резервного хранения информации. Основными параметрами ГД являются технологический размер (измеряется в дюймах), плотность записи и полная емкость.

В настоящее время используются дискеты размером 3,5 дюйма. До недавнего времени также достаточно широко были распространены дискеты размером 5,25 дюйма. (После 1994 г дисководы для таких дисков в базовой конфигурации ПК не поставляются.) Дискеты емкостью 3,5 дюйма имеют емкость 1,4Мб (высокая плотность).

ГД являются малонадежными носителями информации. Пыль, грязь электромагнитные поля, влага, температурные перепады, механические повреждения могут привести к полной или частичной утрате данных на диске.

Дисковод компакт-дисков CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory) – принцип действия этого устройства состоит в считывании цифровых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. Цифровая запись на компакт–диске отличается высокой плотностью записи, стандартный КД может хранить около 650 Мб. Недостатком КД является невозможность записи данных, но в то же время существуют устройства однократной записи данных на КД – CD-R, и устройства многократной записи – CD-RW. Дисководы CD-R в настоящее время практически не используются. Дисководы CD-RW могут использоваться для записи дисков и как обычные CD-ROM, т. е. для чтения. Надежность у пишущих дисководов ниже, чем у обычных.

Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных. Она измеряется в кратных долях. За основу принята скорость чтения в первых серийных образцах, составлявшая 150 Кб/с. Т. е. чтобы узнать скорость считывания данных надо характеристику CD-ROM умножить на 150.

Пример: Скорость считывания данных CD-ROM 48х=150х48=7200Кб/с. Номинальная скорость современных дисководов CD-ROM имеет кратность 48-56х.

Маркировка дисководов CD-RW включает три параметра скорости. Например, 16х10х40х. Первое число – это скорость записи, второе – перезаписи, третье – чтения.

Дисководы DVD

Сам формат DVD (Digital Video Disk) изначально разрабатывался для хранения видеофильмов в электронной форме, он должен был прийти на смену морально устаревшим видеокассетам, став доступной и недорогой альтернативой технологии VHS. Стандартная емкость дисков DVD составляет 4,7 Gb (что более чем в 7 раз превосходит емкость обычных компакт-дисков), или 135 минут полноэкранной видеозаписи с полным числом кадров, тремя независимыми звуковыми дорожками и четырьмя дорожками для записи субтитров, что позволяет сохранить на таком диске среднестатистический голливудский блокбастер. Однако уже сейчас существуют технологии, позволяющие уместить на DVD 9, 17, 20, 110 и даже 125 Gb информации, причем разработчики утверждают, что к 2010 году технологически станет возможно создавать DVD-диски емкостью до 1,5 Tb.

DVD-диски имеют такой же диаметр, как и обычные компакт-диски – 120 мм, однако при этом их толщина составляет всего 0,6 мм (толщина обычного компакт-диска составляет 1,2 мм). В оптической головке устройств для чтения DVD применяется лазер с меньшей, по сравнению с традиционным стандартом CD-ROM, длиной волны, благодаря чему стало возможно записывать информацию с большей плотностью – этим и объясняется высокая емкость таких дисков. Стандартные диски DVD объемом 4,7 Gb имеют простую однослойную структуру. Дальнейшее увеличение емкости DVD достигается, во-первых, использованием многослойной архитектуры оптического покрытия: один слой изготавливается из отражающего вещества, подобного покрытию обычного компакт-диска, второй слой делается полупрозрачным, располагается поверх первого и тоже допускает запись информации; во-вторых, в последних моделях подобных накопителей применяются лазеры с очень малой длиной волны – они получили название Blue-Ray (“голубое излучение”), поскольку работают в коротковолновом, “синем” оптическом диапазоне.

Самая первая, разработанная еще во второй половине 90-х годов компаниями Panasonic, Hitachi и Toshiba технология записи на диски DVD, позволявшая не только сохранять информацию на подобных носителях, но и многократно перезаписывать ее, получила название DVD-RAM. Данный стандарт ориентирован, в первую очередь, на запись видеоданных. В частности, именно для этих целей накопители DVD-RAM обычно поддерживают функцию Simultaneous Rec. & Play, позволяющую просматривать уже сохраненный на диске видеофильм во время записи другой видеопрограммы, или функцию Time Slip, благодаря которой можно начать просмотр видеозаписи, сохранение которой на диск еще не завершено. Вместе с тем DVD-RAM организует не последовательный, а произвольный порядок доступа к данным, благодаря чему этот стандарт прекрасно подходит для записи на диск и других типов информации, например, файлов произвольных форматов. Емкость такого диска составляет 4,7 Gb, а сами болванки теоретически предусматривают возможность перезаписывать свое содержимое до 100 000 раз. К недостаткам DVD-RAM можно отнести, во-первых, относительно высокую стоимость самих носителей информации, во-вторых, то обстоятельство, что диски DVD-RAM совместимы далеко не со всеми приводами DVD, поэтому существует опасность, что прочитать такой диск на первом попавшемся под руку накопителе будет попросту невозможно. К тому же этот стандарт в последнее время был заметно потеснен другими, более совершенными технологиями, и потому он уже не имеет в настоящий момент широкого распространения.

Альтернативный формат перезаписываемых DVD-дисков, предложенный в 1999 году коалицией производителей, в которую вошли такие компании, как Pioneer, Hitachi, Toshiba, Sony, Mitsubishi, JVC, Philips, NEC, LG и некоторые другие, получил название DVD-RW. В рамках данной технологии предусматривается использование двух типов носителей: однократно записываемых DVD-R, устроенных приблизительно так же, как и болванки для записи обычных компакт-дисков, а также дисков DVD-RW, поддерживающих неоднократную перезапись информации. Последние имеют многослойную структуру: поверх несущего слоя на их рабочей поверхности располагается специальная пленка из многокомпонентного сплава, изменяющего свои оптические характеристики при нагревании этого состава лазерным лучом. Такие носители имеют емкость 4,7 Gb и допускают до 1000 циклов перезаписи, совместимы практически со всеми современными приводами DVD, однако они все же не обеспечивают достаточно высокую скорость записи, поскольку данная технология предполагает организацию последовательного доступа к данным.

Альтернативой технологии DVD-RW стал стандарт DVD+RW, разработанный компаниями HP, Ricoh, Thomson, Yamaha, а также рядом других фирм-производителей лазерных накопителей. Технологически перезаписываемые диски DVD+RW очень схожи с носителями DVD-RW: данные сохраняются на светочувствительный слой, состоящий из сплава серебра, сурьмы, индия и теллура, который изменяет свое фазовое состояние при его интенсивной обработке лазером. Такие диски поддерживают до 1000 циклов перезаписи, их емкость составляет 4,7 Gb, к тому же носители данного формата полностью совместимы практически со всеми приводами DVD и DVD-RAM. Заметные отличия заключаются в методике “прожига” дисков: в процессе записи рекордер формирует специальную опорную дорожку, позволяющую более точно позиционировать оптическую головку над поверхностью носителя, что повышает точность записи и быстродействие привода. К тому же этот стандарт позволяет прервать процесс записи в любой момент времени и продолжить ее с той же позиции, на которой сохранение данных было приостановлено. Другими словами, технология DVD+RW открывает возможность осуществлять многосессионную запись либо даже перезапись отдельных блоков информации с сохранением общей целостности массива данных. Стандарт DVD+RW организует чтение-запись как с последовательным, так и с произвольным доступом, что заметно увеличивает скорость работы с дисками. В 2002 году на рынке появился “одноразовый” вариант болванок DVD+R для однократной последовательной записи DVD-дисков в данном формате без возможности последующего добавления или редактирования сохраненной информации.

В настоящее время технологии DVD-R/RW и DVD+R/RW являются конкурирующими стандартами, и потому в среде пользователей нередко возникает путаница при выборе того или иного накопителя.

Первым шагом к разрешению этой ситуации стало появление комбинированных приводов, поддерживающих два этих наиболее распространенных формата. Практически все пишущие устройства DVD позволяют также читать диски DVD и обычные компакт-диски.

Сохранение данных на диски DVD можно организовать с использованием последних версий стандартных программ для записи компакт-дисков, например, при помощи пакета Nero.

Flash-USB

Flash-USB это относительно недавно появившаяся на ИТ-рынке средство хранения информации. В последнее время технология развивается самыми стремительными темпами: объемы запоминаемой информации растут, а цены падают. Доступны накопители вплоть до 4Gb. Основные преимущества Flash-USB: портативность, простота в использовании, быстрая скорость считывания и записи данных (до 56Мбайт/сек). Современные flash-USB устройства должны отвечать главным образом принципам удароустойчивости и надежности. В будущем представляется, что данный вид хранения информации полностью вытеснит 3,5 дюймовые дискеты, а в будущем и CD-диски.

Изобретателем flash–памяти можно считать компанию Toshiba, которая в 1984 году уже начала производство микросхем. Четыре года спустя компания Intel «изобрела» свой «флэш–вариант», и теперь очень многие незаслуженно считают изобретателем именно ее. До сих пор неизвестно происхождение термина Flash, так как это слово имеет три различных перевода. Соответственно, существует три версии названия памяти:

• Flash переводится как «короткий кадр». Компания Toshiba дала такое название из–за короткого по времени процесса стирания данных (In da Flash — в мгновение ока).

• Flashing можно перевести как прожиг, засвечивание. Flash–память по–прежнему прожигается, как и ее предшественники.

• Третье значение этого слова — блок, кадр. Запись/стирание такой памяти осуществляется блоками.

По устройству чип флэш–памяти отдаленно напоминает микросхему динамической энергозависимой памяти, только вместо конденсаторов в ячейках памяти установлены полупроводниковые приборы — транзисторы. При подаче напряжения на выводы транзистора он принимает одно из фиксированных положений — закрытое или открытое. И остается в этом положении до тех пор, пока на выводы транзистора не будет подан электрический заряд, изменяющий его состояние. Таким образом, последовательность логических нулей и единиц формируется в этом типе памяти подобно ПЗУ — закрытые для прохождения электрического тока ячейки распознаются как логические единицы, открытые — как логические нули.

В начале развития Flash каждая ячейка памяти хранила один бит информации и состояла из одного полевого транзистора. Прогресс не стоит на месте, через несколько лет после выпуска чудо–микросхемы были проведены успешные испытания флешек, в которых ячейка хранила уже два бита. Естественно, что на такую память можно было записать в два раза больше информации. В настоящее время уже существуют теоретические разработки памяти с четырехбитными ячейками.

Перезапись и стирание Flash значительно изнашивает микросхему, поэтому технологии производства памяти постоянно совершенствуются, внедряются оптимизирующие способы записи микросхемы, а также алгоритмы, направленные на равномерное использование всех ячеек в процессе работы.

Преимущества флэш-памяти заключаются:

1. в независимости от наличия или отсутствия электрического питания,

2. в долговременности хранения информации (производители гарантируют сохранность данных на протяжении 10 лет, но на практике должно быть больше),

3. в высокой механической надежности (в накопителях на базе флэш–памяти нет никаких механических устройств, следовательно, нечему ломаться).

Недостатки

1. в высокой сложности устройства (транзисторы имеют микронные размеры),

2. в невысоком быстродействии (время изменения состояния транзистора больше, чем время заряда–разряда конденсатора)

3. в относительно высокой стоимости микросхем (опять же из–за сложности устройства и серьезных финансовых вложениях производителей в развитие технологии). Флэш-память быстро прогрессирует. За последние несколько лет появились новые типы микросхем — был осуществлен массовый переход с 5-вольтовой технологии питания на 3,3–вольтовую, были применены новые типы полупроводниковых приборов, разработаны и внедрены в производство механизмы ускорения процедуры записи–чтения информации. Кроме того, производство флэш–памяти находится под жестким прессингом конкуренции. Для нас, пользователей цифровых устройств, это несомненный плюс, поскольку позволяет надеяться на снижение цен на карты флэш–памяти.

Хотя Flash и лидирует на компьютерном рынке, ее могут вытеснить другие новые технологии. Например, новейшая память на кремниевых нанокристаллах. Отличие такой памяти от Flash в следующем: подложка между стоком и истоком теперь состоит из кремниевых нанокристалльных сфер. Такая прослойка предотвращает передачу заряда с одного нанокристалла на другой, повышая таким образом надежность — один дефект не ведет к полному сбою, как в нынешней энергонезависимой памяти на транзисторах с плавающим затвором. Первый в мире работоспособный образец такой памяти был предоставлен компанией Motorola.

Контроллеры - служат для управления внешними устройствами. Каждому ВУ соответствует свой контроллер. После получения команды от МП каждый контроллер функционирует автономно и освобождает процессор от выполнения функций, характерных для управления соответствующим ВУ. Контроллеры используются для устройств быстрого обмена данными. Для ускорения обмена информацией между ОП и ВУ используется прямой доступ к памяти, когда контроллер, получив сигнал запроса о ВУ принимает управление обменом данными на себя, минуя процессор. Процессор в это время продолжает выполнять текущую программу.

2. Порты ввода-вывода – служат для обмена информацией с не очень быстрыми устройствами: мышь, принтер, модем. Порты бывают параллельными и последовательными. Последовательный порт ведет побитный обмен информацией, параллельный побайтный. Принтер подключается к параллельному, а модем к последовательному порту. Информация, поступающая через порт сначала направляется в МП, а потом в ОП. Так как клавиатура и монитор имеют в ОП выделенные участки памяти, то они подключаются через контроллеры, хотя клавиатура достаточно медленное устройство.