1.5.2. Накопители информации

Хранение и накопление информации вызвано многократным ее использованием, применением постоянной информации, необходимостью комплектации первичных данных до их обработки.

Для хранения информации в ЭВМ используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотни раз превосходит емкость памяти компьютера.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) обеспечивают долговременное хранение программ и данных. Наиболее распространены следующие типы ВЗУ: накопители на магнитных дисках (НМД); их разновидности – накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД); накопители на магнитных лентах (НМЛ); накопители на оптических дисках.

Соответственно, физическими носителями информации, с которыми работают эти устройства, являются магнитные диски (МД), магнитные ленты (МЛ) и оптические диски.

Накопители на жестком диске. Эволюция персональных компьютеров связана с изменениями накопителей на жестких дисках. Первые ЭВМ не имели таких накопителей.

Наименование диска – жесткий – подчеркивает его отличие от гибкого диска: магнитное покрытие наносится на жесткую подложку. Термин жесткий диск (hard disk) используется, в основном, в англоязычных странах. Первый накопитель на жестких дисках был создан в 1973 г. по технологии фирмы IBM и имел кодовое обозначение "30/30". Это кодовое обозначение совпадало с обозначением калибра легендарного охотничьего ружья "винчестер", использовавшегося при завоевании Дикого Запада. Такие же намерения были и у разработчиков жесткого диска; наименование "винчестер" получило широкое распространение. Винчестер – жесткий магнитный диск, располагающийся внутри системного блока и предназначенный для долговременного хранения информации.

Рис. 1.5. Основные элементы накопителя на жестких дисках

Дисковод – устройство, которое содержит механизмы для вращения магнитного диска и перемещения головки чтения и записи по его поверхности.

Головка считывания-записи – магнитная головка, позволяющая осуществлять чтение и запись данных на диск.

Внутри корпуса находятся все механизмы и некоторые электронные узлы.

Механизмы – это сами диски, на которых хранится информация, головки, которые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие все это в движение.

Диск представляет собой круглую металлическую пластину с очень ровной поверхностью, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Технология его нанесения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем.

Количество дисков может быть различным, количество рабочих поверхностей, соответственно, вдвое больше (по две на каждом диске). Последнее (как и материал, использованный для магнитного покрытия) определяет емкость жесткого диска. Иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них) не используются, что позволяет уменьшить высоту накопителя, но при этом количество рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Принцип записи в общем схож с тем, который используется в обычном магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и "запомнить".

Головки перемещаются с помощью прецизионного шагового двигателя и как бы "плывут" на расстоянии в доли микрона от поверхности диска, не касаясь его. Держатель головки представляет собой крыло, парящее над поверхностью, благодаря тому, что поверхность увлекает с собой частицы воздуха, создавая, таким образом, набегающий на крыло поток. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки, в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками.

Дорожка – концентрическое кольцо на поверхности магнитного диска, на которое записываются данные.

Сектор – деление дисковых дорожек, представляющее собой основную единицу размера, используемую накопителем. Секторы обычно содержат по 512 байтов.

Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех поверхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя перемещаются одновременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми номерами.

Число дисков, головок и дорожек накопителя устанавливается изготовителем исходя из свойств и качества дисков. Изменить эти характеристики нельзя. Количество секторов на диске зависит от метода записи. Зная размер сектора, всегда можно рассчитать общий объем накопителя:

V = C • Н • S • В,

где С - количество цилиндров;

Н - количество головок;

S - количество секторов на дорожку;

В - размер сектора.

Описанное выше разбиение называется низкоуровневым (LowLewel) форматированием. Такое форматирование нижнего уровня чаще всего выполняет изготовитель, используя специальные программные средства или команды операционной системы. Перед первым использованием дисков необходимо произвести их логическое форматирование – специальным образом инициализировать их (с помощью программы format).

Логическая структура диска определяется стандартом той или иной операционной системы. Группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер – это несколько секторов, рассматриваемых операционной системой как единое целое. Кластер является наименьшей единицей адресации к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.

Жесткий диск может быть разделен на несколько (не более четырех) независимых частей, называемых разделами (partition). Каждый раздел может быть выделен какой-либо операционной системе (например, DOS, UNIX, OS/2).

Различают первичный и расширенный разделы. На винчестере может быть сформирован только один первичный раздел. В нем создается единственный логический диск (с именем С:). Расширенный раздел является необязательным. Такой раздел может быть разбит на один или несколько логических дисков, которым назначаются различные имена (D:, Е: и т.д.). Таким образом, с точки зрения пользователя, винчестер в среде DOS представляет собой совокупность логических дисков.

Логическая структура диска зависит от файловой системы (NTFS, FAT32 и т.д.). Основными составляющими логической структуры диска являются:

• Boot Record (загрузочная запись), отвечающая за загрузку в оперативную память основных модулей операционной системы. По физическому адресу [0-0-1] на винчестере располагается MBR (master boot record) - главная загрузочная запись. В загрузочной записи хранится информация о логических дисках и физические параметры диска.

• FAT (File allocation table) - таблица размещения файлов. FAT является линейной табличной структурой со сведениями о файлах – именами файлов, их атрибутами и другими данными, определяющими местонахождение файлов (или их фрагментов). Элемент FAT определяет

фактическую область диска, в которой хранится начало физического файла. Таблица размещения файлов является очень важной информационной структурой. Можно сказать, что она представляет собой карту (образ) области данных, в которой описывается состояние каждого участка области данных - кластера. В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу, связываются в цепочки.

• Корневой каталог. Корневой каталог отличается от обычного каталога тем, что он, помимо размещения в фиксированном месте логического диска, еще имеет и фиксированное число элементов.

• Область данных (содержимое всех файлов). Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство – контроллер жесткого диска. В настоящее время функции контроллеров дисков выполняют микросхемы, входящие в микропроцессорный комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жестких дисков по-прежнему поставляются на отдельной плате.

Накопитель на гибком магнитном диске. НГМД – устройство со сменными дисками (их часто называют "дискетами"). Несмотря на относительно невысокую информационную емкость дискеты, НГМД продолжают играть важную роль в качестве ВЗУ, поскольку поддерживают ряд функций, которые не обеспечивают другие накопители. Среди них:

• возможность транспортировки информации на любые расстояния;

• обеспечение конфиденциальности информации (дискету можно положить в карман сразу после окончания сеанса работы).

Дискета - гибкий тонкий пластиковый диск с нанесенным (чаще всего на обе стороны) магнитным покрытием, заключенный в достаточно твердый - картонный или пластиковый - конверт для предохранения от механических повреждений.

Стандартный размер (диаметр) дискет 89 мм (3,5 дюйма). Появились, но пока не получили широкого распространения, дискеты диаметром 51 мм. Дискета в системе обозначается буквами А или В.

Накопители на оптических компакт-дисках CD-ROM. Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) переводится на русский язык как постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска.

Компакт-диск – оптический или магнитно-оптический диск, предназначенный для записи и чтения цифровых данных при помощи лазерного луча.

Принцип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. Цифровая запись на компакт-диске отличается от записи на магнитных дисках очень высокой плотностью, и стандартный компакт-диск может хранить примерно 650 Мбайт данных.

Большие объемы данных характерны для мультимедийной информации (графика, музыка, видео), поэтому дисководы CD-ROM относят к аппаратным средствам мультимедиа. Программные продукты, распространяемые на лазерных дисках, называют мультимедийными изданиями. Сегодня мультимедийные издания завоевывают все более прочное место среди других традиционных видов изданий. Так, например, существуют книги, альбомы, энциклопедии и даже периодические издания (электронные журналы), выпускаемые на CD-ROM.

Основным недостатком стандартных дисководов CD-ROM является невозможность записи данных, но параллельно с ними существуют и устройства однократной записи CD-R (Compact Disk Reorder), и устройства многократной записи CD-RW.

Магнитооптические накопители. Магнитооптические накопители уже получили достаточно широкое распространение. Однако не настолько широкое, как хотелось бы, из-за их соотношения цена/ производительность.

Floptical – составное слово, образованное от слов Floppy-диск и Optical-диск. Принцип работы этого привода ясен из названия. Floptical имеет размер 3,5 и может быть прочитан или записан на внешнем или внутреннем дисководе. Емкость таких накопителей достигает нескольких десятков мегабайт. При оптическом чтении дорожек запись осуществляется обычными магнитными средствами, как у дискет.

МО-привод (Magneto-Optical – магнитооптический) представляет собой накопитель информации, в основу которого, как уже ясно из названия, положен магнитный носитель с оптическим (лазерным) управлением.

Принцип устройства МО носителя подобен CD-ROM. Но между слоем носителя и рефлектора нанесено дополнительное напыление, которое реагирует как на оптическое, так и на магнитное воздействие. В качестве головки записи/чтения служит лазер, который нагревает отдельные участки поверхности до температуры около 150°С. Благодаря этому элементы промежуточного слоя взаимодействуют друг с другом и после охлаждения намагничиваются. Этот процесс можно повторять любое количество раз, потому что поверхность и слой носителя защищены. Второй лазер предназначен для чтения информации.

Единственным недостатком МО-накопителей является их цена. Она все еще достаточно высока.

Накопители на гибких магнитных дисках Zip. К малогабаритным устройствам резервного копирования относятся накопители Zip на сменных гибких магнитных дисках, разработанные фирмой Iomega. Картридж накопителя Zip содержит гибкие магнитные диски, обеспечивающие хранение данных объемом до 250 Мбайт. Причем сам накопитель, использующий такой картридж, может быть внешним или встраиваемым.

Эти устройства базируются на традиционной технологии магнитных носителей, но имеют более совершенную систему позиционирования головок записи/чтения и надежную механику привода.

Приводы Zip имеют хорошее соотношение цена/ производительность и превосходят по своим характеристикам все имеющиеся сегодня накопители со сменными носителями.

В накопителях Zip предусмотрена функция введения пароля, что позволит хранить конфиденциальную информацию.

Накопители DVD. Устройства для чтения дисков высокой плотности DVD-ROM по техническим характеристикам, объемам выпуска и цене достигли, наконец, степени полной готовности к быстрому и массовому внедрению в компьютеры любого уровня. Основные аргументы в пользу приводов DVD заключаются в том, что они способны полностью заменить CD-ROM при ненамного более высокой стоимости и дают при этом, кроме выполнения обычных функций (чтение дисков CD-ROM, CD-R и CD-RW), множество дополнительных возможностей: чтение дисков DVD-ROM (объем информации от 4.7 Гб до 17 Гб) и видео DVD (высококачественное видео и многоканальный звук), а в ближайшей перспективе – воспроизведение звуковых дисков нового формата DVD Audio. На DVD носителях появились программные продукты (энциклопедии, игры), не говоря уже об огромном количестве фильмов.

Диск DVD имеет такой же диаметр, как и обычные компакт-диски, однако это уже не одинарный диск толщиной 1,2 мм. Он состоит из двух отдельных дисков толщиной 0,6 мм каждый, соединенных между собой своими тыльными сторонами. Благодаря такой структуре информационный слой, с которого производится считывание данных, удален от внешней поверхности только на 0,6 мм вместо прежних 1,2 мм. Это обеспечивает более точную фокусировку лазера для чтения более плотно расположенных данных.

CD-RW и CD-R. Приводы CD-R позволяют считывать данные с компакт-дисков и делать запись только на одноразовые (Recordable) диски. Устройства CD-RW (Rewritable) позволяют осуществлять запись на многоразовые, перезаписываемые диски и более универсальны, чем CD-R.

На диск CD-R можно последовательно добавлять новые файлы или их новые версии, но когда он заполнится, нельзя удалить старые файлы, чтобы высвободить место. Накопитель типа CD-RW позволяет работать с диском CD-RW во многом так же, как с любым другим носителем информации, – т.е. обновлять и удалять файлы по мере необходимости.

Помимо относительно низкой стоимости самого устройства, рост их популярности обусловило то, что с увеличением объема используемых программ, баз данных, развитием мультимедийных технологий возникла потребность в архивировании и резервном хранении больших объемов информации (десятки-сотни мегабайт).

Накопители на магнитных лентах. Накопители на магнитных лентах имели огромное значение для ЭВМ первых поколений. По мере развития ЭВМ НМЛ оттеснялись на периферию в списке ВЗУ. Ясно, что по скорости доступа к информации НМЛ всегда будут многократно проигрывать дисковым накопителям – ведь для того, чтобы считать информацию на некотором месте ленты, необходимо отмотать предшествующий ее кусок с начала. Однако по-прежнему на лентах хранят большие объемы информации, которая не является оперативной, но требует очень надежного хранения, а также конфиденциальности. На персональных компьютерах иногда используют специальный кассетный накопитель на магнитных лентах, размеры которого совпадают с размерами НГМД и который можно вставить на место последнего – стример.