2.3.2 Накопитель (запоминающее устройство большой ёмкости)

• Отличия накопительных устройств от RAM

• Надежность дисков

• Оптические носители: CD против DVD

• Магнитные носители

• Оптический против магнитного

• Твердотельные диски

• Сравнение накопителей

Отличия накопительных устройств от RAM

Накопительные устройства (магнитные диски, оптические диски, и магнитная лента) имеют большое время доступа и низкие скорости передачи данных. Они размещаются далеко от процессора и вне системной платы. (Иногда они находятся даже в вне системного блока!) Тем не менее, технологии накопителей имеют несколько важных преимуществ:

 Они энергонезависимы. Это означает, что информация на них не теряется при выключении питания.

• Они имеют огромную по сравнению с оперативной памятью вместимость, измеряемую биллионами и даже триллионами байт.

• Стоимость хранения бита на них намного меньше чем у RAM.

 В некоторых случаях, они используют сменные носители, которые можно вставить в устройство и затем использовать. История съемного диска началась с 3.5-дюймовой дискеты (1.44 МБ). Zip-устройство Iomega использовало съемные диски с вместимостью от 100 до 750 МБ, устройства CD Read/Write используют перезаписываемые оптические диски емкостью от 650 МБ до 800 МБ. Сейчас устройства, называемые flash-drive, работающие через USB, выполняют роль дискет и Zip-устройств. Их объем от 500 Мb до 64 Gb. Наконец, уже есть внешние жесткие диски емкостью до 2Tb (1 террабайт = 1000Gb). Эти виды жестких дисков популярны для создания резервных копий основного жесткого диска системы или для перемещения больших файлов данных из одного места в другое. Среди оптических дисков популярны двухслойные перезаписываемые диски DVD, которые имеют емкость до 8.5 Gb, а также диски Bluray, используемые для записи с повышенной плотностью хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости.

Надежность дисковых устройств

Рынок дисководов чрезвычайно конкурентоспособен, потому что есть огромный потребительский спрос на диски большой емкости, с высокими скоростями передачи данных, и низкой стоимостью. Для того чтобы соответствовать этим запросам, изготовители дисков постоянно улучшают характеристики магнитных покрытий, высокопрочных магнитов (используются в моторах, управляющих дисководами) и особо чистых производственных технологий.

Для достижения высокой скорости передачи данных, устройству жесткого диска нужно иметь очень большую скорость вращения: от 4,000 до 15,000 rpm (оборотов в минуту). К тому же магнитные элементы, сохраняющие биты данных на жестком диске, должны быть маленьким и находиться близко друг к другу. Поэтому, для того, чтобы прочитать эти микроскопические и вращающиеся на такой большой скорости биты, головка для чтения-записи должна быть расположена очень близко к поверхности диска. Для достижения этой цели применен специальный технический прием. Головка чтения –записи парит над поверхностью диска, используя воздушную подушку, образующуюся при вращении диска. Расстояние между ней и поверхностью диска намного меньше, чем ширина волоса человека, меньше чем частичка пыли. Фактически, если головка столкнется с частицей пыли, находящейся на поверхности диска во время вращения диска со скоростью тысячи оборотов в минуту, головка разрушит диск, повреждая себя и магнитное покрытие диска. Поэтому важно регулярно делать копии всех данных на других носителях.

Общая характеристика надежности дисковода – среднее время между отказами (mean time between failures – MTBF), среднее время (в часах), после которого ожидается отказ. Обычно, дисководы для персональных компьютеров имеют MTBF-оценки около 500,000 часов или 57 лет. Однако, MTBF –это только теоретическая оценка, потому что дисководы не существуют так долго, чтобы проверить их продолжительность жизни. MTBF-оценку, нужно использовать в сочетании с продолжительностью работы. Продолжительность работы – предположительный период времени до того как начнут происходить отказы из-за старения и износа частей устройства. То есть, это время, в течение которого изготовитель предполагает нормальную работу диска. Покупая диски, используйте критерий продолжительности работы в качестве более точной оценки того, сколько будет работать диск до отказа.

Оптические носители: CD против DVD

Данные в оптических носителях читаются и записываются, используя лазерные лучи. Компакт-диски (CD) и цифровые видеодиски (DVD) – это оптические диски. DVD – расширенная форма CD. Оба вида дисков – физически одного размера, но отличаются в форматом. DVD – диски обладают большей вместимостью, которой они достигают двумя путями. Во-первых, DVD имеют более узкие дорожки (треки), что позволяет разместить больше треков на диске того же размера. Как CD, так и DVD считываются, используя свет лазера. Но, у CD красный лазер, а у DVD – голубой. Красный луч имеет бо^’льшую длину волны, чем голубой. Поэтому голубой лазер может создать более узкий луч, позволяя ему сфокусироваться на гораздо меньших треках DVD. Во-вторых, DVD достигают большей вместимости, используя многослойные дорожки. Голубой лазер не только уже, но и мощнее. Его лучи могут проникнуть через пластмассу и сфокусироваться на различных глубинах. Двухслойные DVD фактически имеют два набора дорожек на каждой стороне диска, один под другим. Лазерный луч может сфокусироваться либо на верхнем, либо на нижнем слое. Это удваивает емкость одной стороны DVD. Также можно разместить дорожки на обе стороны DVD. Двойной двухслойный DVD (DLDS) использует два слоя и может читать двусторонние диски, предоставляя вместимость в 4 раза больше чем однослойный односторонний диск (SLSS).

CD (компакт-диски) имеют два формата записи – CD-R (для чтения) и CD-RW (перезаписываемый). Отметим, что если CD-R и CD-RW читаются большинством устройств CD и DVD, то перезаписываемые DVD могут не читаться на некоторых видах DVD-устройств. Поэтому пользователи, записывающие данные на оптических носителях для широкого распространения (например, для выпуска нового пакета программ), могут ограничиться компакт-дисками, имеющими более низкую вместимость, чем DVD. DVD обычно используются в качестве средства для записи мультимедийных данных таких, например, как фильмы.

Магнитные носители

Диапазон магнитных носителей – от запоминающих устройств самой маленькой емкости, – гибких дисков, до устройств с максимальной емкостью, – устройств на жестких дисках. Гибкий диск (floppy) больше не используется для загрузки операционной системы из-за постоянно увеличивающегося размера современных операционных систем. Последняя версия Windows, использовавшая гибкие диски, была Windows 95, которая занимала 30 дискет. Более того, гибкие диски перестали быть средством хранения данных в связи с появлением перезаписываемых DVD и СD и, особенно, в связи с появлением USB Flash устройств.

Zip-диски, сменные накопители, производимые Iomega, позволяли пользователям сохранять данные большего объема, чем гибкий диск, хотя физически Zip-диски не намного больше, чем гибкие диски. Эти устройства были когда-то очень популярны, и множество машин оснащались устройствами Zip, как стандартным оборудованием. Но, их использование практически прекратилось с появлением CD-RW и DVD-RW и со снижением стоимости дисков CD-R и DVD-R.

Производство компактных переносных устройств большей вместимости в основном представлено так называемыми flash-картами. Например, запоминающее устройство mini USB может иметь емкость 512MB, 1GB, 8GB, 16Gb, 32Gb, 64Gb и быть размером с автомобильный ключ. Другое переносное запоминающее устройство, предложенное Iomega – внешний жесткий диск карманного размера (HDD Desktop external hard drive). Емкости таких дисков – от 40GB до 2TB. Эти устройства могут быть подключены через порты USB или FireWire.

Встроенные (не сменные) жесткие диски – все еще являются основными носителями данных компьютера. Они могут содержать больше данных, чем любой из сменных накопителей, оптических или магнитных. На большинстве персональных компьютеров операционные системы, прикладные программы и пользовательские данные постоянно находятся на одном жестком диске. Самые маленькие жесткие диски, обычно находящиеся в портативных компьютерах, имеют емкость около 40 Gb. Если покупать отдельно, то можно приобрести диски объемом от 40 Gb до 1TB. Причем верхняя граница емкости диска увеличивается каждый год. Другая важная характеристика, при сравнении жестких дисков – скорость вращения диска, поскольку она определяет время перенесения битов между диском и компьютером. Медленные диски вращаются со скоростью 4200 rpm (оборотов в минуту) (применяются в некоторых моделях ноутбуков); более быстрые – 15,000 rpm. Если жесткий диск используется в приложениях требующих высокой скорости выполнения, как например, в серверах баз данных, то скорость передачи данных очень важна. На нее величину будут действовать дополнительные факторы кроме скорости вращения диска и времени ожидания (время обращения к первому биту данных), к ним относятся вид выбранного дискового контроллера и тип архитектуры памяти, используемой компьютером. Читайте разделы про эталонное тестирование в пунктах 2.1.1 Процессор. Основы и 2.5.2 Узкие места.

Оптические или магнитные

Давайте, сравним оптические и магнитные технологии памяти. Оптические носители дольше используются. Их не разрушают пыль или влажность, они неуязвимы к электрическому повреждению (однако, их можно повредить физически, например, поцарапать). Средняя продолжительность жизни оптических носителей MTBF находится между 30 и 300 лет, для магнитных носителей с MTBF – около 3-7 лет. Mегабайт на оптическом носителе менее дорог, чем мегабайт на магнитном диске. С другой стороны, магнитные диски, за исключением гибких дисков, могут быть перезаписаны и читаются быстрее, чем оптические диски. Требуется около 3-8 минут, чтобы записать CD объемом 700 Mb. Жесткий диск может запомнить то же количество данных менее чем за минуту. Наконец, большинство жестких дисков предлагают большую емкость, чем любое из оптических устройств, доступных в настоящий момент.

Твердотельные носители

Популярный вид переносной памяти для маленьких устройств, таких как цифровые камеры и PDA – это flash-память. Flash-память использует твердотельную технологию, без двигающихся частей, на основе микросхем. Данные записываются, используя электрические заряды. Для перезаписи данных flash-памяти применяются электрическое напряжение, используя внутрисхемную разводку для стирания определенных разделов микросхемы для дальнейшей перезаписи.

Примеры запоминающих устройств с flash-памятью – карты CompactFlash и SecureDigital. Карта CompactFlash использует чип контроллера, который может ускорить работу устройств с медленными процессорами и чипами flash-памяти. Емкость такого запоминающего устройства от 4 MB до 64 GB (однако, чем больше емкость, тем дороже устройство). Плата SecureDigital меньше и тоньше. Ее емкость, в настоящее время, от 4 Gb. Сейчас действует новый стандарт – SDHC. Потенциальный максимальный объём карт SDHC увеличен до 32 Gb. Карты SDHC не совместимы с карт-ридерами и прочими устройствами, изначально рассчитанными только на SD-карты. А вот устройства, способные работать с SDHC-картами, поддерживают также и SD-карты.

Твердотельные накопители

Совершенствование носителей данных для компьютеров и развитие производства привело к созданию твердотельных накопителей – solid state drive (SSD). Некоторые современные компьютеры, особенно ноутбуки, оснащаются подобными накопителями. Данные диски, как и flash-карты не содержат движущихся частей и используют схожие принципы работы. Кроме этого, они отличаются высокой и постоянной скоростью доступа к данным и низким энергопотреблением. Пожалуй, можно отметить только один недостаток подобных устройств – высокая стоимость хранения данных. Стоимость хранения бита данных на них в несколько раз превышает стоимость хранения данных на магнитных дисках.

Сравнение накопителей

Есть много способов хранения данных. Например, существует 3 типа CD и 5 типов DVD. Рисунок ниже показывает наиболее общие типы памяти, доступные сегодня. Магнитные устройства памяти могут использоваться для чтения и многократной записи, в то время как существуют оптические устройства – только для чтения, некоторые из них для однократной записи и многократного чтения.

Название	Тип	Емкость	Возможность перезаписи
High-density floppy disk Гибкий диск (флоппи) высокой плотности	магнитный	1.44 Mb	неограниченна
Карта SecureDigital	твердотельный	128 Mb – 32 GB	много
Карта CompactFlash	твердотельный	128 MB – 64 Gb	много
Супер-флоппи (гибкий)	магнитный	120 или 240 Mb	много
Устройство USB	твердотельный	256 Mb, 500Mb, 1Gb – 32 Gb и более	много
CompactFlash – микро-устройство	магнитный	От 340 MB до 8 Gb	неограниченна
Iomega Zip диск	магнитный	100, 250, или 750 Mb	неограниченна
CD-ROM	Оптический	650 или 700 Mb	только для чтения
CD-R	Оптический	650 или 700 Mb	одноразовая запись
CD-RW	Оптический	650 или 700 Mb	много
Iomega Jaz-диск	магнитный	1 или 2 Gb	неограниченна
DVD+/-R	Оптический	4.7 Gb	одноразовая запись
DVD+/-RW	Optical	4.7 Gb	много
DVD+R DL (dual layer)	Оптический	8.5 Gb	одноразовая запись
DVD-ROM (SLSS)	Оптический	4.7 Gb	только для чтения
DVD-ROM (DLSS or SLDS)	Оптический	8.5 Gb	только для чтения
DVD-ROM (DLDS)	Оптический	18.8 Gb	только для чтения
Внутренний жесткий диск (internal hard disk drive)	магнитный	100 Gb – 2Tb и более	неограниченна
Внешний жесткий диск (external hard disk drive)	магнитный	40 Gb – 2Tb и более	неограниченна
Твердотельный накопитель	твердотельный	4 GB – 1 Tb	практически неограниченна

Таблица 1. Сравнение устройств памяти