31 Внешние запоминающие устройства компьютера.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) обеспечивают долговременное хранение программ и данных. Все эти устройства обладают большим объёмом сохраняемой информации и являются энергонезависимыми. Устройства внешней памяти весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков: по виду носителя, типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, методу доступа и т. п.

Наиболее распространены следующие типы ВЗУ:

• накопители на магнитных дисках (НМД):

• накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

• накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

• накопители на магнитных лентах (НМЛ);

• накопители на оптических дисках (НОД).

Рис. 2.11. Структура поверхности магнитного диска

У магнитных дисков в качестве запоминающей среды используются магнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса, позволяющие фиксировать два магнитных состояния, т. е. два (противоположных) направления намагниченности. Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом. Все магнитные диски характеризуются своим диаметром. Этот параметр называется форм-фактором. Информация на диск записывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагом, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси с переменной угловой скоростью (с постоянной линейной, рис. 2.11). Информация на диске расположена на концентрических окружностях — дорожках (треках). Количество дорожек и их емкость зависит от типа магнитного диска, качества головок и магнитного покрытия. Каждая дорожка разбита на сектора. В одном секторе дорожки может быть помещено 128, 256, 512 или 1024 байта (обычно 512) данных. Обмен данными осуществляется последовательно целым числом секторов. Кластер — это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки. Поле памяти, отводимое каждому файлу, выделяется кратным определенному количеству кластеров, которые могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являться смежными. Файлы, хранящиеся в разбросанных по диску кластерах, называются фрагментированными.

Физическая структура диска определяется количеством дорожек и числом секторов на каждой дорожке. Она задается при форматировании диска по специальной программе. Кроме физической структуры различают еще и логическую структуру диска. Логическая структура определяется файловой системой, реализованной на диске. Эта структура подразумевает выделение некоторого количества секторов для выполнения служебных функций размещения файлов и каталогов на диске.

Основа дисков изготавливается из алюминия и керамики, на которые наносится магнитный слой. Магнитные диски бывают гибкими и жесткими. Гибкий диск (англ. floppy disk) или дискета — носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения. Гибкие диски имеют объем хранимой информации 1.442.88 Мбайт. Наибольшее распространение получили гибкие диски с форм-фактором 3.5 дюйма, но существуют диски с форм-факторами 5.25 и 1.8 дюйма.

Накопители на жестких дисках (Hard Disk Drive, HDD) — это наиболее массовое запоминающее устройство большой емкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины — плоттеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используются для постоянного хранения информации — программ и данных. Такие диски получили название "винчестер". Этот термин возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 год), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром "30/30" известного охотничьего ружья фирмы "Винчестер". В настоящее время используются диски с объемом 120 000160 000 Мбайт, причем это значение постоянно увеличивается. Максимальная емкость и скорость передачи данных существенно зависят от интерфейса накопителя. Для повышения скорости обмена данными некоторые жесткие диски имеют свою кэш-память, которая может быть встроенной в дисковод или создаваться программным путем в оперативной памяти.

Накопители на магнитных лентах исторически были первыми ВЗУ вычислительных машин. В универсальных ЭВМ используются накопители на бобинной магнитной ленте, а в персональных ЭВМ — накопители на кассетной магнитной ленте. Кассеты с магнитной лентой называются картиджами. Они отличаются шириной магнитной ленты и объемом хранимой информации. Сейчас емкости картриджей достигают 16 Гбайт. Лентопротяжные механизмы для катриджей носят название стримеров. Это инерциальные механизмы, поэтому время доступа к информации в накопителях на магнитной ленте достигает десятков секунд, что позволяет использовать картриджи лишь для резервного копирования, архивации информации с жестких дисков и хранения пакетов программ. Скорость считывания информации в стримерах невысока и составляет около 100 Кбайт/с.

Рис. 2.12. Профиль дорожки CD-ROM

Накопители на оптических дисках. Впервые компакт-диск (Compact Disk Read Only Memory, CD-ROM) был предложен в 1982 году фирмами Philips и Sony для записи звуковой информации. Объем информации, записанной на компакт-диске, составляет 600700 Мбайт. Диск представляет собой полимерный круг диаметром 12 см и толщиной 1.2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждения слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра. Информация на диске представляется в виде последовательности впадин и выступов, расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска (рис. 2.12). На каждом дюйме по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Запись на компакт-диск при промышленном производстве наносится в несколько этапов с помощью мощного инфракрасного лазера.

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. С середины 1990-х годов появились устройства, позволяющие производить однократную запись на компакт-диск непосредственно на компьютере (SD-Recordable, CDR). Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи (CD-Rewritable, SD-RW). Дальнейшее развитие технологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи (Digital Versatile Disk, DVD).

Флэш-память. Все дисковые устройства памяти имеют механические детали, надежность которых недостаточна. Это привело к созданию флэш-памяти, обладающей малой энергоемкостью, небольшими размерами и значительным объемом. Эта память допускает неограниченное число циклов перезаписи. В ней использован новый принцип записи и считывания информации. Кристалл схемы флэш-памяти состоит из трех слоев. Средний слой изготовлен из ферроэлектрического материала, два крайних слоя представляют собой матрицу проводников для подачи напряжения на средний слой. При такой подаче информация записывается или считывается со среднего слоя. Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельной микросхемы с контроллером, размером 40167 мм, ее объем сейчас может достигать нескольких десятков Гбайт.