Логическая структура

Кроме того, что накопитель должен быть сконфигурирован в CMOS, его логическую структуру должна понимать операционная система. Для обращения к информации используется кластер (allocation unit) – минимальная логическая единица доступа к информации. Каждый кластер состоит из нескольких секторов (8 и более). Каждый кластер пронумерован и может быть либо свободен, либо монопольно занят для хранения определенного файла, даже если не все сектора внутри его заняты. Следовательно, даже файл размером несколько байт требует целого кластера. В результате, на каждом файле теряется около половины кластера. Чем больше размер кластера, тем больше потери. Использование кластеров позволяет ускорить работу, так количество кластеров существенно меньше количества секторов.

Нумерация кластеров не соответствует их порядковому расположению на дисках. При работе используется тот факт, что при записи данных используются все сектора, которые на данный момент находятся под всеми головками, таким образом, заполняется цилиндр. Прежде чем перейти к следующему цилиндру, заполняется текущий, чтобы иметь возможность считывать как можно больше информации без перемещения головок.

Для DOS версии 3.0 и выше используется алгоритм следующего свободного кластера размещения файлов на диске. Кластеры устроены так, что каждый из них ссылается на последующий. При работе DOS ищет свободные кластеры не с начала диска, а с места последней записи на диск. DOS устанавливает указатель последнего записанного кластера и ищет свободные кластеры, пользуясь этим указателем. Указатель размещается в RAM и уничтожается при перезарузке. Если DOS дошла до конца диска, то указатель также удаляется, а поиск начинается с начала диска. Таким образом, осуществляются операции файлами на диске.

Этот алгоритм позволяет восстанавливать удаленные файлы. При удалении файла в начало его первого кластера ставится знак «?», и все кластеры, связанные с данным считаются свободными. Указатель выставляется на следующий свободный кластер, запись продолжается в идущих далее свободных кластерах. Перезапись кластера, в котором произошло удаление, произойдет только когда указатель в новом цикле дойдет до данного кластера. Даже, если переписывается один файл поверх другого, то запись работает по такой же схеме. А для каждого нового файла используется первая свободная запись.

Файловые системы

Файловая система через использование кластеров позволяет осуществлять доступ к данным. Большинство файловых систем построено на основе таблицы размещения файлов (file allocation table – FAT). Наиболее распространены файловые системы FAT12 (диски менее 16 Мбайт), FAT16 (или просто FAT) и FAT32.

FAT подразумевает наличие следующих структур (в порядке расположения их на диске):

• Загрузочные секторы главного и дополнительного разделов

• Загрузочный сектор логического диска

• Таблицы размещения файлов (FAT)

• Корневой каталог

• Область данных

• Цилиндр диагностических операций

1. Загрузочный сектор главного раздела – Master Boot Record (MBR, Главная загрузочная запись) или Partition table (PT, Таблица разделов) – является первым сектором на жестком диске (занимает один или более секторов). Но под этот раздел отдана целиком вся первая дорожка (цилиндр 0, головка 0, сектор 1). Он в себя включает Таблицу главного раздела, которая может содержать только четыре записи, так как больше не поместится в 512 байт. Корневой таблице разделов принадлежат адреса 01BEh-01FDh. Очевидно, что можно создать только 4 раздела, среди которых могут быть Первичные (Primary) и Дополнительные (Extended) разделы. Поэтому если на диске выделен Дополнительный раздел, то Первичных уже можно создать не более трех.

Первичный может иметь только один логический диск, в то время как количество логических в Дополнительном разделе не ограничено. Общее количество логических дисков (томов) не должно быть более 24 (для DOS). В первом секторе Дополнительного раздела расположена его Таблица разделов с такой же структурой как и Корневая таблица разделов. В ней описываются адреса начала и конца первого логического диска в этом разделе и его файловая система, а также зоны, занимаемой остальными логическими дисками (если они есть). Все последующие разделы в Дополнительном разделе имеют аналогичную структуру.

MBR создается с помощью стандартной программы fdisk. Правда последняя накладывает некоторые ограничения: первичный раздел может быть создан только один.

Также в Главной загрузочной записи находится главный загрузочный код – небольшая программа, которая выполняется из BIOS. Она передает управление активному (загрузочному) разделу.

2. Загрузочная запись (Boot Record) занимает 32 первых сектора каждого логического диска (для первичного раздела – цилиндр 0, головка 1, сектор 1). Загрузочный сектор активного раздела получает управление от MBR. Он выполняет некоторые проверки и запускает с диска первый системный файл io.sys. Формирует загрузочная запись программой format. Напомню, что только Первичный раздел может быть активным. Загрузочная запись, как Корневая таблица разделов должны заканчиваться сигнатурой 55АА. По этой сигнатуре BIOS определяет, успешной ли была загрузка.

3. Таблица размещения файлов (FAT) – основная часть файловой системы, давшая ей название. Она представляет собой набор записей с номерами, соответствующих номерам всех кластеров на логическом диске. Каждому кластеру соответствует одно число. Для каждого кластера запись может иметь несколько стандартных значений: кластер свободен, кластер поврежден или кластер является последним кластером файла, или содержать ссылку на следующий кластер в цепочке, относящийся к тому же файлу. Получается, что в таблице хранится информация только о первом кластере цепочки кластеров одного файла.

Каждая ячейка FAT хранит значение длиной 12, 16 или 32 бита. Отсюда и пошли названия FAT12, FAT16 и FAT32. Размер записей в таблице FAT определяет максимальный размер логического тома. Так как в FAT16 запись представлялась 2-байтовым числом, то на логическом диске не могло быть более 65536 кластеров: 216 = 65536. В результате несложных вычислений мы находим, что вся таблица FAT помещается в 1 Мбайте. Этим и пользовались вирусы типа «Чернобыль». В связи этим FAT, начиная с DOS 4.0 ограничивала объем логического диска в 2 Гбайта (размер кластера составлял 32 Кбайта): 32 Кб х 65536 = 2 Гб.

Операционные системы Windows 95 OSR2 и старшие поддерживают 32-разрядную FAT с размером кластера до 64 Кбайт. Таким образом, эта система поддерживает тома размером до 2 Тбайт. А применяется она в дисках объемом от 512 Мбайт.

Всего в каждом логическом диске существует 2 таблицы FAT, которые следуют друг за другом. При порче первого экземпляра, используется второй, путем корректировки первого. Но у этой системы защиты есть свои недостатки. Во-первых, вторая таблица используется только когда первая полностью испорчена. Во-вторых, вторая копия часто обновляется за счет первой, так что во второй также могут содержаться ошибки.

В зависимости от размера логического диска меняется и размер кластера. Для FAT16 тома до 260 Мбайт используют кластеры размером 2 Кбайта, до 8 Гбайт – 32 Кбайта. Размеры кластеров и записей определяются при форматировании высоко уровня. Для FAT32 зависимость размера кластера от размера тома приведена в таблице 2.

Таблица 2

Размер тома	Размер кластера	Размер записи FAT	Кол-во секторов на 1 кластер
< 260 Мбайт	512 Кбайт	512 байт
260 Мб – 8 Гб	4 Кбайта	4 байта	8
8 – 16 Гбайт	8 Кбайта	8 байт	16
16 – 32 Гбайт	16 Кбайт	16 байт	32
> 32 Гбайт	32 Кбайта	32 байта	64

4. Корневой каталог (Root directory). Так как размеры таблицы FAT не постоянны, то Корневой каталог не имеет четко закрепленного места, но следует сразу за второй таблицей FAT. Размеры этого каталога четко фиксированы, поэтому существует ограничение на количество папок и файлов в корне диска. Под корневой каталог обычно отводится 32 сектора, именно поэтому корневой каталог ограничен 512 записями. Подкаталог может хранить произвольное количество записей.

Каждая запись в том каталоге имеет размер 32 байта. В записи содержится информация практически вся информация о файле, которой располагает DOS: имя, атрибуты, время и дата создания и размер на диске. Эта информация связана с FAT посредством одного из полей записи – номера первого занимаемого файлом кластера на диске.

Чтобы отследить расположение файла, надо обратиться к каталогу и выяснить номер его первого сектора и длину файла, затем найти в FAT этот кластер и проследить цепочку кластеров до конца файла.

5. И последним разделом, о котором мало кто знает, является цилиндр диагностики. Это последний цилиндр диска, операционная система и FAT его не видят. Он отделяется программой fdisk при создании разделов. Используется этот цилиндр для форматирования низкого уровня и тестирования данных винчестера.

В процессе низкоуровневого форматирования (заводского или специальными утилитами) дорожки разбиваются на сектора, формируется межсекторное пространство, записываются префиксы и суффиксы секторов. Во всех современных накопителях применяется зонная запись, при которой количество секторов на дорожке является переменным. Дорожки, более удаленные от центра, а значит, и более длинные, содержат большее количество секторов, и наоборот. Однако, BIOS «думает», что секторов на любой дорожке 63, преобразование осуществляется контроллером винчестера. При зонной записи цилиндры разбиваются на группы, которые называются зонами, причем в каждой зоне на дорожках свое количество секторов. Зон бывает 10 и более.

При форматировании высокого уровня в тома заносится загрузочный сектор тома (VBS – volume Boot Sector), записываются или переписываются таблицы FAT и корневой каталог. Как видно, данные не удаляются, всего лишь переписываются загрузочные данные для работы с операционной системой, и теряется их описание и каталог.

Выделяют следующие основные типы устройств памяти с произвольным доступом:

1. Накопители на гибких магнитных дисках (флоппи-дисководы, НГМД) – устройства для записи и считывания информации с небольших съемных магнитных дисков (дискет). Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску. Способ записи двоичной информации на магнитной среде называется магнитным кодированием. Он заключается в том, что магнитные домены в среде выстраиваются вдоль дорожек в направлении приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обычно устанавливается однозначное соответствие между двоичной информацией и ориентацией магнитных доменов. Информация записывается по концентрическим дорожкам {трекам), которые делятся на секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана.

Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (англ. flорру-disk drive), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 мин^-1. В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков. Запись информации на диск осуществляется методом MFM (Modified Frequency Modulation – модифицированная частотная модуляция).

Стандартный формат ГМД типа HD (High Density – высокая плотность) – наибольшее распространение получили дискеты со следующими характеристиками: диаметр 3,5 дюйма (89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18. Уплотненный формат – 82 или 84 дорожки по512 байт или до 11 секторов по 1024 байт.

2. Накопители на жёстких магнитных дисках (винчестеры, НЖМД) – несъемные жесткие магнитные диски. Если гибкие диски – это средство переноса данных между компьютерами, то жесткий диск – информационный склад компьютера.

Накопитель на жестких магнитных дисках (англ. HDD – Hard Disk Drive) или винчестерский накопитель – это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины – платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации – программ и данных.

Как и у дискеты, рабочие поверхности платтеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки – на секторы. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке модуля данных на дисковод он автоматически соединяется с системой, подкачивающей очищенный охлажденный воздух.

Поверхность платтера имеет магнитное покрытие толщиной всего лишь в 1,1 мкм, а также слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъёме на ходу. При вращении платтера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 0,5 мкм над поверхностью диска.

Винчестерские накопители имеют очень большую ёмкость: от 10 до 100 Гбайт. У современных моделей скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 7200 об/мин, среднее время поиска данных 9 мс, средняя скорость передачи данных до 60 Мбайт/с. В отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно. Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем (обычно 2 Мбайта), который существенно повышает их производительность. Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска.

3. Оптические диски (СD-ROM – Compact Disk Read Only Memory-компакт диск, из которого можно только читать) – CD-ROM представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого напыляется светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра.

Информация на диске представляется в виде последовательности впадин (углублений в диске) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска. На каждом дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Для сравнения – на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек. Емкость CD достигает 780 Мбайт. Информация наносится на диск при его изготовлении и не может быть изменена.

C D-ROM обладают высокой удельной информационной емкостью, что позволяет создавать на их основе справочные системы и учебные комплексы с большой иллюстративной базой. Один CD по информационной емкости равен почти 500 дискетам. Считывание информации с CD-ROM происходит с достаточно высокой скоростью, хотя и заметно меньшей, чем скорость работы накопителей на жестком диске. CD-ROM просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, с них невозможно случайно стереть информацию.

Рисунок 6. Профиль дорожки CD-ROM

В отличие от магнитных дисков, компакт-диски имеют не множество кольцевых дорожек, а одну – спиральную, как у грампластинок. В связи с этим, угловая скорость вращения диска не постоянна. Она линейно уменьшается в процессе продвижения читающей лазерной головки к краю диска.

Для работы с CD-ROM нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM преобразующий последовательность углублений и выступов на поверхности CD-ROM в последовательность двоичных сигналов. Для этого используется считывающая головка с микролазером и светодиодом. Глубина впадин на поверхности диска равна четверти длины волны лазерного света. Если в двух последовательных тактах считывания информации луч света лазерной головки переходит с выступа на дно впадины или обратно, разность длин путей света в этих тактах меняется на полуволну, что вызывает усиление или ослабление совместно попадающих на светодиод прямого и отраженного от диска света. Если в последовательных тактах считывания длина пути света не меняется, то и состояние светодиода не меняется. В результате ток через светодиод образует последовательность двоичных электрических сигналов, соответствующих сочетанию впадин и выступов на дорожке. Различная длина оптического пути луча света в двух последовательных тактах считывания информации соответствует двоичным единицам. Одинаковая длина соответствует двоичным нулям.

Сегодня почти все персональные компьютеры имеют накопитель CD-ROM. Но многие мультимедийные интерактивные программы слишком велики, чтобы поместиться на одном CD.

Цифровые диски DVD

Настоящий переворот в технике внешних запоминающих устройств готовы совершить цифровые видеодиски, имеющие габариты обычных CD-ROM, но значительно большей емкости, которая у них достигает 24 Гбай.. На таких дисках выпускаются мультимедийные игры и интерактивные видеофильмы отличного качества, позволяющие зрителю просматривать эпизоды под разными углами камеры, выбирать различные варианты окончания картины, знакомиться с биографиями снявшихся актеров, наслаждаться великолепным качеством звука.

DVD – Digital Versatile Disk, цифровой универсальный диск (иногда его называют Digital Video Disk, цифровой видеодиск). Физически DVD – это тот же привычный диск диаметром 4,72 дюйма (существует и стандарт на 3,5 дюйма) и толщиной 0,05 дюйма. Так же, как и компакт-диск, он не изнашивается (или почти не изнашивается) со временем, нечувствителен к магнитному и инфракрасному излучениям и малочувствителен к повышенным температурам.

В DVD используется однослойная и двухслойная, односторонняя и двухсторонняя уплотненная запись. Уплотнение записи данных на DVD было достигнуто путем уменьшения диаметра пишущего-читающего луча (зелено-голубой лазер) в два раза, при этом уменьшаются сами точки (питы), сокращается расстояние между соседними точками на дорожке и увеличивается количество дорожек. Только за счет повышения плотности записи удалось достичь более чем четырехкратного роста емкости. А за счет других ресурсов, таких как большая область данных, более эффективная битовая модуляция каналов, более эффективное исправление ошибок, меньшее перекрытие секторов, емкость увеличилась по сравнению с емкостью CD в семь раз: стандартный однослойный односторонний диск DVD может хранить 4,7 Гбайт данных, двухслойный накопитель имеет емкость 8,5 Гбайт (относительное уменьшение емкости по сравнению с двукратной однослойной связано с необходимостью снижения помех, наводимых верхним слоем при считывании нижнего).

Кроме увеличения физической плотности размещения информации на диске произошли изменения и в способах ее представления. Дело в том, что комбинация нулей и единиц двоичного кода записывается на носитель не в виде точек на ровной поверхности, но в виде выемок различной длины, преобразуемых уже системой демодуляции в определенное количество единиц или нулей. Использовавшаяся в CD EFM-модуляция заменена модифицированным алгоритмом модуляции EFM Plus. Подобная модуляция, помимо большей устойчивости к сбоям, дает дополнительный бит экономии на каждые два байта информации. Использующийся при этом метод коррекции ошибок (код Рида–Соломона) дает, по некоторым оценкам, десятикратное увеличение надежности, что немаловажно при том же десятикратном увеличении емкости и потока данных. Данные на дисках DVD организованы иначе, чем на CD, у которых все данные находятся на одной непрерывной дорожке, в то время как у DVD информация делится на два типа : навигационную и содержательную.

Скорость чтения у DVD лежит в пределах 1,4-14 Мбайт/с. Наличие более сложной оптической системы замедляет время доступа к нужной информации на диске от 100 мс у современных CD-ROM до 170 мс – у DVD-ROM. Ситуацию выправляет увеличенный до 512 Кбайт кэш, сохраняющий теперь больше считанной в процессе работы информации.

В настоящее время распространены следующие 4 типа DVD:

• DVD-5 (4,72», односторонний диск с одним слоем записи – подобие одностороннего CD-ROM, но с уплотненной записью) – 4,7 Гбайт;

• DVD-9 (4,72», односторонний диск с двумя слоями записи; верхний слой поупрозрачный для лазерного луча, считывание с нижнего слоя выполняется вторым лазером с длиной волны отличной от длины волны первого) – 8,5 Гбайт;

• DVD-10 (4,72», двухсторонний диск с одним слоем записи) – 9,4 Гбайт;

• DVD-18 (4,72», двухсторонний диск с двумя слоями записи) – 17 Гбайт;

Самый простой тип записываемого DVD – это DVD-R, который предусматривает однократную запись информации на носитель с последующим многократным чтением. В DVD-R используется органическая полимерная технология, в основном подобная применяемой в CD-R, и этот формат совместим практически со всеми дисководами DVD. На сегодняшний день емкость подобных дисков еще не достигла значений, присущих DVD-ROM, однако принципиальных проблем нет, и в обозримом будущем емкости сравняются.

Среди перезаписываемых DVD сегодня конкурируют два равновесомых формата – DVD-RAM и DVD-RW. Первый формат, продвигаемый фирмами Hitachi, Matsushita и Toshiba, поддержан большинством членов DVD Forum (конвенции фирм, стоящих у истоков создания DVD) и, таким образом, официально одобрен. Второй продвигается компаниями Hewlett-Packard, Philips, Ricoh и Sony.

В основе обоих стандартов лежит одна и та же технология изменения фазы. Диск покрыт слоем специального материала, который может находиться в аморфном или кристаллическом состоянии. При этом светоотражающая способность материала в разных фазах различается примерно на 20%, что позволяет кодировать информацию. Основное различие стандартов в том, каким образом головка накопителя считывает данные с диска. В устройствах DVD-RAM считывающую головку необходимо переключать между режимами чтения канавки и площадки (пространства между канавками) при каждом обороте диска, в то время как в накопителях DVD-RW информация считывается только с канавки диска так же, как это делается в стандартных дисководах для чтения DVD-ROM.

Существуют и другие форматы перезаписываемых DVD-дисков. Ассоциация OSTA (Optical Storage Technology Association, Ассоциация технологий оптических накопителей) разрабатывает спецификацию совместимости DVD – Read Compatibility Specification, которая, в идеале, будет поддерживать все типы компакт-дисков, в том числе аудиодиски, CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-ROM, DVD-R, а также (!) DVD-RAM и DVD-RW.

Основные достоинства DVD:

• значительно большая по сравнению с CD емкость. В частности, достаточная для хранения полнометражного фильма самого высокого качества;

• совместимость с CD. Устройства DVD-ROM смогут считывать существующие библиотеки данных на CD-ROM;

• высокая скорость обмена данными с дисководом DVD;

• высокая надежность хранения данных.

Основными локальными интерфейсами для DVD являются интерфейсы IDE-ATAPI, SCSI, USB, Serial ATA.

Для маркировки скоростных характеристик накопителей на оптических дисках часто используется скоростная формула.

В частности, для CD-накопителей она выглядит так: KxMxNx, где К – кратность скорости записи на CD-R; Мх – кратность скорости записи на CD-RW; Nx – кратность скорости чтения.

В последние годы стали популярными комбинированные приводы, объединяющие накопители CD и DVD. Скоростная формула комбо-привода выглядит так: Lx.KxM-x.Nx, где Lx – кратность скорости чтения DVD; Кх – кратность скорости записи на CD-R; Мх – кратность скорости записи на CD-RW; Nx – кратность скорости чтения CD.

Однократная скорость для CD равна 150 Кбайт/с, а для DVD – 1350 Кбайт/с.

Устройства флеш-памяти

Флеш-диски (Flash Disks) – весьма популярный и очень перспективный класс энергонезависимых запоминающих устройств. Флеш-диски (твердотельные диски) являются модификацией HDD и представляют собой устройства для долговременного хранения информации с возможностью многократной перезаписи. Стирание и запись данных осуществляются так же, как у HDD, – блоками (иногда называемыми по аналогии с магнитными дисками секторами, но более правильно было бы их именовать кластерами). У флеш-дисков отсутствуют какие-либо подвижные части, да и форма у них совсем не круглая – чаще всего они представляют собой прямоугольные картриджи.

Для хранения информации в них используются специализированные микросхемы памяти с металлизацией (металл-нитридные), выполненные по технологии Flash, изобретенной в начале 80-х годов фирмой Intel. Дисками их называют условно, поскольку флеш-диски полностью эмулируют функциональные возможности HDD. При работе указатели в микросхеме перемещаются на начальный адрес блока, затем байты данных передаются в последовательном порядке с использованием стробирующего сигнала. Стирание содержимого всего блока выполняется одномоментно отдельным сигналом (отсюда, вероятно, и название памяти flash – вспышка); тотальное стирание было специально организовано разработчиками, поскольку первоначально флеш-память применялась в военных приборах, и при обнаружении попыток несанкционированного доступа к ним необходимо было сразу уничтожать все данные – система автоматически генерировала внутренний сигнал стирания).

По существу, флеш-диски – это «полупостоянные» запоминающие устройства, стирание, считывание и запись информации в которых выполняется электрическими сигналами (в отличие от прочих ПЗУ, в которых эти действия производятся лучом лазера или чисто механически – «перепрошивкой»). Количество циклов перезаписи информации в одну и ту же ячейку у флэш-памяти ограничено, но оно обычно превышает 1 млн – эта величина иногда указывается в паспорте микросхемы. В современных устройствах имеются программные или аппаратные средства формирования виртуальных блоков, обеспечивающие запись информации поочередно в разные области флэш-памяти так, чтобы число циклов стирания и записи было равномерно распределено по всем блокам диска. Это существенно увеличивает срок службы флэш-памяти: ее работоспособность сохраняется сотни лет. Емкость современных флеш-дисков, изготовленных на основе многоуровневых ячеек (MultyLevel Cell, MLC) на базе логических схем NAND (НЕ-И, штрих Шеффера)\ достигает нескольких гигабайтов при крайне миниатюрных их размерах.

Флеш-диски обладают высочайшей надежностью – среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failures – MTBF) у них составляет, как правило, более миллиона часов; они устойчивы к механическим ускорениям и вибрациям, работают в широком диапазоне температур (от -40 до +85 °С). Во время выполнения операций чтения-записи флеш-диски обычно потребляют не более 200 мВт электроэнергии и, естественно, не шумят. Скорость считывания информации составляет несколько мегабайт в секунду, скорость записи несколько ниже (эти значения зависят от типа флеш-памяти и ее интерфейса).

Флеш-память на базе логических схем NOR («НЕ-ИЛИ») позволяет организовать произвольный доступ к данным, и на ее основе могут создаваться оперативные запоминающие устройства.

Многие производители предусматривают на своих системных платах гнезда для установки флеш-чипов. Интерфейс для их подключения аналогичен интерфейсу ПЗУ BIOS.

Ниже в таблице 3 даны сравнительные характеристики различных типов устройств внешней памяти с произвольным доступом.

Таблица 3

Сравнительные характеристики дисковых накопителей

Тип накопителя	Емкость, Мбайт	Время доступа1, мс	Трансфер2, Кбайт/с	Вид доступа
НМГД	1,2; 1,44	65 – 100	55 – 150	Чтение-запись
Жесткий диск	1000 – 300000	5– 30	500 – 6000	Чтение-запись
Бернулли	20 – 30	20	500 – 2000	Чтение-запись
Floptical	20 – 120	65	100 – 1000	Чтение-запись
VHD	120 – 240	65	200 – 1000	Чтение-запись
DVD	4700 – 17000	150 – 200	1380	Чтение-запись
CD-ROM	250 – 1500	50 – 300	150 – 3000	Чтение
CD-RW	120 – 1000	50 – 150	150 – 3000	Чтение-запись
НМОД	128 – 2600	50 – 150	300 – 6000	Чтение-запись
Flash	32 – 4000	10-4	512 – 80000	Чтение-запись

¹ Время доступа – средний временной интервал, в течение которого накопитель находит требуемые данные.

² Трансфер – скорость передачи данных при последовательном чтении.

Флеш-диски в настоящее время выпускаются многими фирмами с различными интерфейсами и в разных конструктивных исполнениях. Они могут быть не только внешними дисками ПК, но и устанавливаться внутри системного блока. В качестве фиксированной памяти используются флеш-карты, выполненные в виде печатных плат, предназначенных для непосредственной установки в разъмы системной платы компьютера. Они способны работать с системными и локальными интерфейсами ПК (ISA, PCI и др.). Значительно чаще флеш-память используется в качестве альтернативных HDD твердотельных дисков. В этом случае востребованы периферийные интерфейсы ATA (IDE), Serial ATA, USB, IEEE 1394 и др. Широкое применение флеш-диски нашли в цифровых фото-и видеокамерах.

Устройства памяти с последовательным доступом позволяют осуществлять доступ к данным последовательно, т.е. для того, чтобы считать нужный блок памяти, необходимо считать все предшествующие блоки. Среди устройств памяти с последовательным доступом выделяют:

1. Накопители на магнитных лентах (НМЛ) – устройства считывания данных с магнитной ленты. Такие накопители достаточно медленные, хотя и большой ёмкости. Современные устройства для работы с магнитными лентами – стримеры – имеют увеличенную скорость записи 4 - 5Мбайт в сек. Существуют также, устройства позволяющие записывать цифровую информацию на видеокассеты, что позволяет хранить на 1 кассете 2 Гбайта информации. Магнитные ленты обычно используются для создания архивов данных для долговременного хранения информации.

2. Перфокарты – карточки из плотной бумаги и перфоленты – катушки с бумажной лентой, на которых информация кодируется путем пробивания (перфорирования) отверстий. Для считывания данных применяются устройства последовательного доступа. В настоящее время данные устройства морально устарели и не применяются.

Различные виды памяти имеют свои достоинства и недостатки. Так, внутренняя память имеет хорошее быстродействие, но ограниченный объем. Внешняя память, наоборот, имеет низкое быстродействие, но неограниченный объем. Производителям и пользователям компьютеров приходится искать компромисс между объемом памяти, скоростью доступа и ценой компьютера, так комбинируя разные виды памяти, чтобы компьютер работал оптимально. В любом случае, объем оперативной памяти является основной характеристикой ЭВМ и определяет производительность компьютера.

Кратко рассмотрим принцип работы оперативной памяти. Минимальный элемент памяти – бит или разряд способен хранить минимально возможный объем информации – одну двоичную цифру. Бит очень маленькая информационная единица, поэтому биты в памяти объединяются в байты – восьмерки битов, являющиеся ячейками памяти. Все ячейки памяти пронумерованы. Номер ячейки называют ее адресом. Зная адрес ячейки можно совершать две основные операции:

1) прочитать информацию из ячейки с определенным адресом;

2) записать информацию в байт с определенным адресом.

Чтобы выполнить одну из этих операций необходимо, чтобы от процессора к памяти поступил адрес ячейки, и чтобы байт информации был передан от процессора к памяти при записи, или от памяти к процессору при чтении. Все сигналы должны передаваться по проводникам, которые объединены в шины.

По шине адреса передается адрес ячейки памяти, по шине данных – передаваемая информация. Как правило, эти процессы проходят одновременно.

Для работы ОЗУ используются еще 3 сигнала и соответственно 3 проводника. Первый сигнал называется запрос чтения, его получение означает указание памяти прочесть байт. Второй сигнал называется запрос записи, его получение означает указание памяти записать байт. Передача сразу обоих сигналов запрещена. Третий сигнал – сигнал готовности, используемый для того, чтобы память могла сообщить процессору, что она выполнила запрос и готова к приему следующего запроса.

Устройства ввода-вывода

К омпьютер обменивается информацией с внешним миром с помощью периферийных устройств. Только благодаря периферийным устройствам человек может взаимодействовать с компьютером, а также со всеми подключенными к нему устройствами.

Рисунок 7.

Ниже приведена классификация устройств ввода:

Любое подключенное периферийное устройство в каждый момент времени может быть или занято выполнением порученной ему работы или прерыванием.

Рисунок 8. Классификация устройств ввода

Самым известным устройством ввода информации является клавиатура (keyboard) – это стандартное устройство, предназначенное для ручного ввода информации. Работой клавиатуры управляет контроллер клавиатуры, расположенный на материнской плате и подключаемый к ней через разъем на задней панели компьютера. При нажатии пользователем клавиши на клавиатуре, контроллер клавиатуры преобразует код нажатой клавиши в соответствующую последовательность битов и передает их компьютеру. Отображение символов, набранных на клавиатуре, на экране компьютера называется эхом. Обычная современная клавиатура имеет, как правило, 101-104 клавиши, среди которых выделяют алфавитно-цифровые клавиши, необходимые для ввода текста, клавиши управления курсором и ряд специальных и управляющих клавиш. Существуют беспроводные модели клавиатуры, в них связь клавиатуры с компьютером осуществляется посредством инфракрасных лучей.

Наиболее важными характеристиками клавиатуры являются чувствительность ее клавиш к нажатию, мягкость хода клавиш и расстояние между клавишами. На долговечность клавиатуры определяется количеством нажатий, которые она рассчитана выдержать. Клавиатура проектируется таким образом, чтобы каждая клавиша выдерживала 30-50 миллионов нажатий.

К манипуляторам относят устройства, преобразующие движения руки пользователя в управляющую информацию для компьютера. Среди манипуляторов выделяют мыши, трекболы, джойстики.

Мышь предназначена для выбора и перемещения графических объектов экрана монитора компьютера. Для этого используется указатель, перемещением которого по экрану управляет мышь. Мышь позволяет существенно сократить работу человека с клавиатурой при управлении курсором и вводе команд. Особенно эффективно мышь используется при работе графическими редакторами, издательскими системами, играми. Современные операционные системы также активно используют мышь для управляющих команд.

У мыши могут быть одна, две или три клавиши. Между двумя крайними клавишами современных мышей часто располагают скрол. Это дополнительное устройство в виде колесика, которое позволяет осуществлять прокрутку документов вверх-вниз и другие дополнительные функции.

Мышь состоит из пластикового корпуса, cверху находятся кнопки, соединенные с микропереключателями. Внутри корпуса находится обрезиненный металлический шарик, нижняя часть которого соприкасается с поверхностью стола или специального коврика для мыши, который увеличивает сцепление шарика с поверхностью. При движении манипулятора шарик вращается и переедает движение на соединенные с ним датчики продольного и поперечного перемещения. Датчики преобразуют движения шарика в соответствующие импульсы, которые передаются по проводам мыши в системный блок на управляющий контроллер. Контроллер передает обработанные сигналы операционной системе, которая перемещает графический указатель по экрану. В беспроводной мыши данные передаются с помощью инфракрасных лучей. Существуют оптические мыши, в них функции датчика движения выполняют приемники лазерных лучей, отраженных от поверхности стола.

Трекбол по функциям близок мыши, но шарик в нем больших размеров, и перемещение указателя осуществляется вращением этого шарика руками. Трекбол удобен тем, что его не требуется перемещать по поверхности стола, которого может не быть в наличии. Поэтому, по сравнению с мышью, он занимает на столе меньше места. Большинство переносных компьютеров оснащаются встроенным трекболом.

Джойстик представляет собой основание с подвижной рукояткой, которая может наклоняться в продольном и поперечном направлениях. Рукоятка и основание снабжаются кнопками. Внутри джойстика расположены датчики, преобразующие угол и направление наклона рукоятки в соответствующие сигналы, передаваемые операционной системе. В соответствии с этими сигналами осуществляется перемещение и управление графических объектов на экране.

Дигитайзер – это устройство для ввода графических данных, таких как чертежи, схемы, планы и т. п. Он состоит из планшета, соединенного с ним визира или специального карандаша. Перемещая карандаш по планшету, пользователь рисует изображение, которое выводится на экран.

Сканер – устройство ввода графических изображений в компьютер. В сканер закладывается лист бумаги с изображением. Устройство считывает его и пересылает компьютеру в цифровом виде. Во время сканирования вдоль листа с изображением плавно перемещается мощная лампа и линейка с множеством расположенных на ней в ряд светочувствительных элементов. Обычно в качестве светочувствительных элементов используют фотодиоды. Каждый светочувствительный элемент вырабатывает сигнал, пропорциональный яркости отраженного света от участка бумаги, расположенного напротив него. Яркость отраженного луча меняется из-за того, что светлые места сканируемого изображения отражают гораздо лучше, чем темные, покрытые краской. В цветных сканерах расположено три группы светочувствительных элементов, обрабатывающих соответственно красные, зеленые и синие цвета. Таким образом, каждая точка изображения кодируется как сочетание сигналов, вырабатываемых светочувствительными элементами красной, зеленой и синей групп. Закодированный таким образом сигнал передается на контроллер сканера в системный блок.

Различают сканеры ручные, протягивающие и планшетные. В ручных сканерах пользователь сам ведет сканер по поверхности изображения или текста. Протягивающие сканеры предназначены для сканирования изображений на листах только определенного формата. Протягивающее устройство таких сканеров последовательно перемещает все участки сканируемого листа над неподвижной светочувствительной матрицей. Наибольшее распространение получили планшетные сканеры, которые позволяют сканировать листы бумаги, книги и другие объекты, содержащие изображения. Такие сканеры состоят из пластикового корпуса, закрываемого крышкой. Верхняя поверхность корпуса выполняется из оптически прозрачного материала, на который кладется сканируемое изображение. После этого изображение закрывается крышкой и производится сканирование. В процессе сканирования под стеклом перемещается лампа со светочувствительной матрицей.

Главные характеристики сканеров - это скорость считывания, которая выражается количеством сканируемых станиц в минуту (pages per minute - ppm), и разрешающая способность, выражаемая числом точек получаемого изображения на дюйм оригинала (dots per inch - dpi).

После ввода пользователем исходных данных компьютер должен их обработать в соответствии с заданной программой и вывести результаты в форме, удобной для восприятия пользователем или для использования другими автоматическими устройствам посредством устройств вывода.

Выводимая информация может отображаться в графическом виде, для этого используются мониторы, принтеры или плоттеры. Информация может также воспроизводиться в виде звуков с помощью акустических колонок или головных телефонов, регистрироваться в виде тактильных ощущений в технологии виртуальной реальности, распространяться в виде управляющих сигналов устройства автоматики, передаваться в виде электрических сигналов по сети.

Графическая система ПК включает средства работы с видеоизображениями. Обязательными компонентами графической системы служат видеокарта (видеоконтроллер, видеоадаптер) и монитор.

Монитор (дисплей) является основным устройством вывода графической информации. По размеру диагонали экрана выделяют мониторы 14-дюймовые, 15-дюймовые, 17-дюймовые, 19-дюймовые, 21-дюймовые. Чем больше диагональ монитора, тем он дороже. По цветности мониторы бывают монохромные и цветные. Любое изображение на экране монитора образуется из светящихся разными цветами точек, называемых пикселями (это название происходит от PICture CELL - элемент картинки). Пиксель – это самый мелкий элемент, который может быть отображен на экране. Чем качественнее монитор, тем меньше размер пикселей, тем четче и контрастнее изображение, тем легче прочесть самый мелкий текст, а значит, и меньше напряжение глаз. По принципу действия мониторы подразделяются на мониторы с электронно-лучевой трубкой (Catode Ray Tube - CRT) и жидкокристаллические - (Liquid Crystal Display - LCD).

В мониторах с электронно-лучевой трубкой изображение формируется с помощью зерен люминофора – вещества, которое светится под воздействием электронного луча. Различают три типа люминофоров в соответствии с цветами их свечения: красный, зеленый и синий. Цвет каждой точки экрана определяется смешением свечения трех разноцветных точек (триады), отвечающих за данный пиксель. Яркость соответствующего цвета меняется в зависимости от мощности электронного пучка, попавшего в соответствующую точку. Электронный пучок формируется с помощью электронной пушки. Электронная пушка состоит из нагреваемого при прохождении электрического тока проводника с высоким удельным электрическим сопротивлением, эмитирующего электроны покрытия, фокусирующей и отклоняющей системы.

При прохождении электрического тока через нагревательный элемент электронной пушки, эмитирующее покрытие, нагреваясь, начинает испускать электроны. Под действием ускоряющего напряжения электроны разгоняются и достигают поверхности экрана, покрытой люминофором, который начинает светиться. Управление пучком электронов осуществляется отклоняющей и фокусирующей системой, которые состоят из набора катушек и пластин, воздействующих на электронный пучек с помощью магнитного и электрического полей. В соответствии с сигналами развертки, подаваемыми на электронную пушку, электронный луч побегает по каждой строчке экрана, последовательно высвечивая соответствующие точки люминофора. Дойдя до последней точки, луч возвращается к началу экрана. Таким образом, в течение определенного периода времени изображение перерисовывается. Частоту смены изображений определяет частота горизонтальной синхронизации. Это один из наиболее важных параметров монитора, определяющих степень его вредного воздействия на глаза. В настоящее время гигиенически допустимый минимум частоты горизонтальной синхронизации составляет 80 Гц, у профессиональных мониторов она составляет 150 Гц.

Эргономичность монитора определяется удачным подбором таких характеристик, как качество картинки на экране, габариты, вес, дизайн монитора, а также, в большей степени его безопасностью для здоровья человека. Наиболее вредным для человеческого организма узлом ПК является видеомонитор (дисплей), хотя на здоровье активного пользователя сказывается не только электромагнитные излучения монитора и постоянное напряжение глаз, но и длительное неизменное положение тела, и даже «дружественность общения с компьютером».

Современные мониторы с электронно-лучевой трубкой имеют специальное антибликовое покрытие, уменьшающее отраженный свет окон и осветительных приборов. Кроме того, монитор покрывают антистатическим покрытием и пленкой, защищающей от электромагнитного излучения. Дополнительно на монитор можно установить защитный экран, который необходимо подсоединить к заземляющему проводу, что также защитит от электромагнитного излучения и бликов. Уровни излучения мониторов нормируются в соответствии со стандартами LR (Low Radiation), MPR-1 и MPR-2. Первая спецификация MPR-1 устанавливает нормы в основном для электромагнитных полей - полоса частот 1 – 400 Кгц, вторая MPR-2, распространена и на электростатические поля, а для электромагнитных полей установлены существенно более жесткие нормы. Сейчас MPR-2 стал стандартом де-факто для всех качественных домашних мониторов.

Для профессиональных мониторов существуют еще более жесткие международные стандарты (например ТСО-99), определяющие как допустимые значения различных излучений и полей, так и качество картинки на экране и режим управления электропитанием монитора.

Жидкокристаллические мониторы имеют меньшие размеры, потребляют меньше электроэнергии, обеспечивают более четкое статическое изображение. В них отсутствуют типичные для мониторов с электронно-лучевой , трубкой искажения. Принцип отображения на жидкокристаллических мониторах основан на поляризации света. Источником излучения здесь служат лампы подсветки, расположенные по краям жидкокристаллической матрицы. Свет от источника света однородным потоком проходит через слой жидких кристаллов. В зависимости от того, в каком состоянии находится кристалл, проходящий луч света либо поляризуется, либо не поляризуется. Далее свет проходит через специальное покрытие, которое пропускает свет только определенной поляризации. Там же происходит окраска лучей в нужную цветовую палитру. Жидкокристаллические мониторы практически не производят вредного для человека излучения.

Мониторы могут работать в двух режима: символьном (текстовом) и графическом..

В текстовом режиме область экрана разбивается на клетки - достаточно большие, чтобы содержать один символ (цифру, литеру). Например, экран можно разбить на области 8х8 пикселей. Подобная клетка используется для вывода символов с точечной матрицей размером 5х7. Дополнительные пикселя используются для разделения литер. Для современных ПК в символьном режиме экран представляется в виде матрицы размером в 25 строк и 80 знакомест в строке.

В графическом режиме элементом изображения является пиксель. Изображение формируется на множестве точек (растре), представляющего собой совокупность горизонтальных растровых строк, каждая из которых состоит из отдельных пикселей. Растр – это матрица пикселей, покрывающих всю площадь экрана. Основная характеристика изображения определяется понятием – разрешение. Разрешение – это максимальное количество точек одинакового размера, которое может поместиться на каком-то отрезке (горизонтальном или вертикальном) изображения, приходящихся на единицу длины. Размер пикселя – величина переменная, которая варьируется в зависимости от выбранного разрешения. Для стандартного монитора с размером экрана по диагонали до 20-21 дюйма (1 – дюйм примерно равен 2.52 см.), как правило, обеспечивается стандартное экранное разрешение: 640х480, 800х600 и тп. Элементарная единица изображения пиксель – неделима. Отсюда невозможность масштабирования растрового изображения. Достоинство растра – это прямое продолжение его недостатков. Только в нем можно получить доступ к каждому пикселю изображения, изменить его яркость, тон или насыщенность, поменять белое на черное.

Начальный этап развития компьютеров характеризовался отсутствием интерактивных устройств отображения информации. Результаты вычислений получали в виде дырок в перфокарте или распечаток на бумаге. С момента появления (1951 г.) электронно-лучевой трубки началось бурное развитие интерактивных устройств вывода информации и компьютерной графики, позволяющих считывать данные с экрана и выводить графические изображения на экран. В конце 1970 – х годов появились первые растровые дисплеи, позволяющие отображать цветное изображение. Формированием картинки занимались специальные устройства – видеоадаптеры. Видеоадаптер – внутрисистемное устройство, преобразующим данные в сигнал, отображаемый монитором, и непосредственно управляющий монитором и выводом информации на его экран. Видеоадаптер содержит графический контроллер, растровую оперативную память (видеопамять, хранящую выводимую на экран информацию), микросхемы ПЗУ и BIOS.

Первые компьютерные видеокарты имели лишь кадровый буфер: изображение формировалось центральным процессором компьютера и программным обеспечением, а карта отвечала за хранение кадров в буфере памяти и вывод их на монитор. Повышение требований к качеству изображения привело к созданию специализированного процессора, который занимается исключительно расчетом и формированием изображения.

Важную роль в повышении производительности видеоадаптера играют характеристики видеопамяти, определяемые ее типом, частотой работы, величиной задержек, разрядностью шины памяти. Важная характеристика - емкость видеопамяти, она определяет количество хранимых в памяти пикселей и их атрибутов. При работе со сложными графическими программами, такими как Photoshop, Autocad, 3D Max и др. ввиду необходимости отображения стереоструктур, слоев и примитивов, их формирования, емкость видеопамяти может достигать 128 Мбайт и более. В текстовых режимах работы требуется существенно меньшая видеопамять.

Скорость обмена данными с центральным процессором определяется пропускной способностью шины, через которую осуществляется обмен. В современных ПК используются скоростные и скоростные интерфейсные шины AGP и PCI Express.

Основные характеристики видеоконтроллера:

• режим работы (текстовый и графический);

• воспроизведение цветов;

• число цветов или полутонов (в монохромном);

• разрешающая способность;

• разрядность шины.

Общепринятый стандарт формирует следующие видеоконтроллеры:

• Hercules –(монохромный графический адаптер);

• MDA – монохромный дисплейный адаптер;

• MGA – монохромный графический адаптер;

• CGA-цветной графический адаптер;

• EGA – улучшенный графический адаптер;

• VGA – видеографический адаптер, часто его называют видеографической матрицей (Video Graphics Array);

• SVGA – улучшенный видеографический адаптер (Super VGA);

• PGA - профессиональный графический адаптер (Professional GA).

В настоящее время выпускают и практически используют только видеоконтроллеры типа SVGA и существенно реже PGA.

Для получения копий изображения на бумаге применяют принтеры, которые классифицируются:

• струйные, лазерные и термические;

• по способу формирования изображения: последовательные, строчные, страничные;

• по способу печати: ударные, безударные;

Наиболее распространены принтеры матричные, лазерные и струйные принтеры. Матричные принтеры схожи по принципу действия с печатной машинкой. Печатающая головка перемещается в поперечном направлении и формирует изображение из множества точек, ударяя иголками по красящей ленте. Красящая лента перемещается через печатающую головку с помощью микроэлектродвигателя. Соответствующие точки в месте удара иголок отпечатываются на бумаге, расположенной под красящей лентой. Бумага перемещается в продольном направлении после формирования каждой строчки изображения. Полиграфическое качество изображения, получаемого с помощью матричных принтеров низкое и они шумны во время работы. Основное достоинство матричных принтеров - низкая цена расходных материалов и невысокие требования к качеству бумаги.

Струйный принтер относится к безударным принтерам. Изображение в нем формируется с помощью чернил, которые распыляются через капилляры печатающей головки.

Лазерный принтер также относится к безударным принтерам. Он формирует изображение постранично. Первоначально изображение создается на фотобарабане, который предварительно электризуется статическим электричеством. Луч лазера в соответствии с изображением снимает статический заряд на белых участках рисунка. Затем на барабан наносится специальное красящее вещество – тонер, который прилипает к фотобарабану на участках с неснятым статическим зарядом. Затем тонер переносится на бумагу и нагревается. Частицы тонера плавятся и прилипают к бумаге.

Для ускорения работы, принтеры имеют собственную память, в которой они хранят образ информации, подготовленной к печати.

К основным характеристикам принтеров можно относятся:

- ширина каретки, которая обычно соответствую бумажному формату А3 или А4;

- скорость печати, измеряемая количеством листов, печатаемы в минуту

- качество печати, определяемое разрешающей способностью принтера - количеством точек на дюйм линейного изображения. Чем разрешение выше, тем лучше качество печати.

- расход материалов: лазерным принтером - порошка, струйным принтером - чернил, матричным принтером - красящих лент.

Плоттер (графопостроитель) – это устройство для отображения векторных изображений на бумаге, кальке, пленке и других подобных материалах. Плоттеры снабжаются сменными пишущими узлами, которые могут перемещаться вдоль бумаги в продольном и поперечном направлениях. В пишущий узел могут вставляться цветные перья или ножи для резки бумаги. Графопостроители могут быть миниатюрными, и могут быть настолько большими, что на них можно вычертить кузов автомобиля или деталь самолета в натуральную величину.