5.2. Организация памяти, а также ввод и вывод данных

Возможности компьютерных систем определяются не только параметрами ЦПУ. Далеко не последнюю роль играют быстродействие, емкость и конструктивные особенности памяти, а также устройств ввода/вывода информации. Эти компо­ненты называются периферийными устройствами, поскольку находятся за пре­делами основного системного модуля.

Технологии, применяемые в устройствах вторичной памяти

Большая часть данных, используемых компьютерным приложением, хранится в устройствах вторичной памяти, которые не относятся к области первичной па­мяти. Эти устройства применяются в целях организации относительно долго­временного хранения данных, не использующихся ЦПУ. При этом хранящаяся информация не изменяется даже в том случае, если компьютер отключается. К наиболее важным устройствам вторичной памяти можно отнести магнитный диск, оптический диск и магнитную ленту.

Магнитные диски

В настоящее время в качестве среды организации вторичной памяти чаще всего применяется магнитный диск. Существуют две разновидности этих устройств: дискеты (применяются в ПК) и жесткие диски (применяются в больших ком­мерческих дисковых массивах и в ПК). В мэйнфреймах и компьютерах, относя­щихся к средней категории, используется несколько жестких дисков. Благодаря этому обеспечивается емкость устройств для хранения данных, измеряемая гига­байтами и терабайтами. В ПК до сих пор* используются дискеты, которые отно-

S econdary storage (вторичная память)

Сравнительно долговременное неизменяемое хранилище данных, находя­щихся вне ЦПУ и первичной памяти.

Magnetic disk (магнитный диск)

Устройство вторичной памяти, обеспечивающее хранение данных путем со­здания намагниченных участков на поверхности жесткого диска или дискеты.

Hard disk (жесткий диск)

Магнитный диск, который представляет собой пакет из тонких металлических пластин, применяющийся в больших компьютерных системах и во многих ПК.

Floppy disk (дискета)

Съемное устройство дисковой памяти, применяемое в ПК.

сятся к категории съемных (переносимых) дисков, а их емкость не превышает 2,8 Мбайта. Время доступа для подобных устройств значительно меньше, чем время доступа жестких дисков. Дисководы съемных дисков, например Iomega или Syquest, представляют собой популярную альтернативу хранилищу, исполь­зуемому для резервирования данных в ПК.

Магнитные диски, установленные в маленьких и больших компьютерах, обес­печивают непосредственный доступ к отдельным записям, благодаря чему возмо­жен непосредственный доступ к хранящимся на диске данным независимо от того порядка, в котором производилась исходная запись информации. Дисковая па­мять часто называется устройством хранения с непосредственным доступом (DASD, direct access storage device). Технология организации дисковой памяти используется в системах, реализующих быстрый и непосредственный доступ к данным.

П роизводительность дисковых устройств может быть увеличена с помощью применения так называемой технологии RAID (redundant array of inexpensive disks, массив независимых дисковых накопителей с избыточностью). Пакеты RAID-устройств представляют собой несколько сотен дисков, микросхему кон­троллера и специализированное ПО. Все это объединено в виде одного большого модуля. Подобные массивы «с точки зрения» компьютера выглядят в виде едино­го логического блока, состоящего из нескольких жестких дисков. Традиционные диски передают данные одним способом, в то время как RAID-массив передает

Direct access storage device (DASD) (устройство с прямым доступом к памяти)

Технология изготовления магнитных дисков, обеспечивающая прямой доступ ЦПУ к хранящимся данным.

RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) (массив недорогих дисковых накопителей с избыточностью)

Технология дисковой памяти, позволяющая добиться резкого роста произво­дительности путем «упаковки» более 100 относительно небольших по объему (и размерам) дисков в одном устройстве. Это устройство снабжено контролле­ром и специализированным ПО, контролирующим синхронные потоки данных.

данные несколькими способами, что позволяет уменьшить время доступа к диску, а также повысить степень надежности хранения. В большинстве RAID-систем возможно автоматическое восстановление данных с отказавшего диска без от­ключения компьютерной системы.

Оптические диски

В оптических дисках (также называемых компакт-дисками, или лазерными опти­ческими дисками) хранение данных организуется с помощью лазерной техноло­гии. При этом достигается плотность записи информации, значительно превыша­ющая аналогичный показатель для магнитных дисков.

Оптические диски применяются в больших компьютерах и в ПК. На оптиче­ских дисках могут храниться большие объемы данных, включая картинки, звук, полноэкранное видео, причем все это закодировано в чрезвычайно компактной форме.

Оптический диск, наиболее часто применяемый в ПК, называется CD-ROM (compact disk read-only memory, компакт-дисковое запоминающее устройство). Компакт-диск, предназначенный для ПК, диаметр которого составляет 4,75 дюй­ма, может вместить 660 мегабайтов информации, что примерно в 300 раз превы­шает соответствующий показатель для дискет высокой плотности. Оптические диски особенно полезны в том случае, когда приложение нуждается в сохранении огромного количества неизменяющихся данных компактным способом. Их по­лезность также очевидна в случае необходимости хранения графических изобра­жений или звука.

Диск CD-ROM относится к категории устройств памяти, работающих только в режиме считывания информации. Такого рода диски не допускают запись дан­ных — возможна лишь выборка. Диски из этой категории могут применяться для хранения справочных материалов, представляющих собой огромные массивы данных (энциклопедии и каталоги), а также для размещения мультимедийных энциклопедий, комбинирующих текст, звуки и изображения. Например, на ком­пакт-дисках распространяется информация Американского бюро переписи насе­ления, а также финансовые базы данных, подготовленные Dow Jones или Dun & Bradstreet.

С истемы оптических дисков WORM (write once/read many, с однократной записью и многократным считыванием) и CD-R (compact disk-recordable, пере­записываемый компакт-диск) предназначены для однократной записи данных. После завершения записи данные могут считываться неограниченное число раз, но их удаление не допускается. Благодаря технологии CD-R и использованию «пишущих» приводов компакт-дисков возможно создание пользовательских

CD-ROM (compact disk read-only memory) (диски CD-ROM, компакт-ди­сковое запоминающее устройство)

Дисковая память, используемая исключительно для считывания данных. Пред­назначена для хранения изображений, справочных данных, атакже больших объ­емов постоянной информации, обеспечивает работу мультимедийных прило­жений.

W ORM (write once/read many) (диски с однократной записью и много­кратным считыванием)

Оптическая дисковая система, обеспечивающая однократную запись данных (возможно многократное считывание записанных данных, но их удаление не­возможно).

библиотек компакт-дисков, причем стоимость производства считается чрезвы­чайно низкой. Недавно разработанная технология CD-RW (CD-ReWritable, пе­резаписываемый компакт-диск) может применяться для создания перезаписыва­емых оптических дисков. Конечно, устройства записи, применяемые для создания перезаписываемых компакт-дисков, в большинстве не могут конкурировать с жесткими дисками, но вполне могут применяться приложениями, эпизодиче­ски нуждающимися в больших объемах памяти.

Цифровые видеодиски (DVD, digital video disk), иногда также называемые универсальными цифровыми видеодисками, представляют собой оптические диски, размер которых соответствует размерам CD-ROM, а емкость их сущест­венно выше. В частности, минимальный объем хранимых данных может дости­гать 4,7 Гбайтов. Этого вполне достаточно для записи полнометражных фильмов, причем с высоким качеством изображения. Диски DVD применяются для хране­ния фильмов и мультимедийных приложений, включающих обилие видео и гра­фики, но также они могут использоваться в качестве обычных компакт-дисков (CD-ROM), поскольку могут также хранить огромные объемы оцифрованного текста, графики, аудио- и видеоданных.

Магнитная лента

М агнитная лента является образцом относительно старой технологии организа­ции хранения данных, которая используется устройствами вторичной памяти для «запоминания» огромных объемов информации. В настоящее время наблюдается переход от применения старых «катушечных» магнитных лент к устройствам массовой памяти, организованным на базе магнитных картриджей. Эти устрой­ства обладают огромной емкостью (до 35 Гбайтов), что значительно превышает подобный показатель для магнитных лент. Магнитные картриджи являются ком­понентами автоматизированных систем, в состав которых входят сотни подоб-

CD-R (compact disk- recordable) (записываемые компакт-диски)

Оптическая дисковая система, позволяющая пользователям создавать соб­ственные библиотеки компакт-дисков.

Digital video disk (DVD) (цифровой видеодиск)

Устройство оптической памяти большой емкости, обеспечивающее хранение полнометражных видеофильмов, а также огромных объемов обычных данных.

Magnetic tape (магнитная лента)

Недорогой относительно старый носитель вторичной памяти, организующий последовательное хранение огромных объемов информации путем чередо­вания намагниченных/ненамагниченных участков на ленте.

ных устройств. Выбор и монтирование картриджей производится автоматически и с применением сложных технологий. Современные системы хранения данных, использующие магнитные ленты, применяются для архивирования данных, а так­же для организации их хранения. При этом обеспечивается быстрый, но (жела­тельно) эпизодический доступ к информации.

К принципиально важным преимуществам подобных устройств можно отне­сти их дешевизну, относительную стабильность, а также возможность хранения огромных объемов информации. Кардинальные недостатки магнитных лент: по­следовательная структура хранимых данных, а также относительно низкое быст­родействие (по сравнению с другими носителями вторичной памяти). Например, поиск отдельной записи на магнитной ленте (наподобие записи о сотруднике) по­требует выполнения перемотки вплоть до момента нахождения искомой записи.

Новые альтернативы: сетевое хранилище данных (SAN) и онлайновые провайдеры услуг хранения данных (SSP, Storage Service Providers)

В целях удовлетворения растущих требований, связанных с интенсивно исполь­зующими данные приложениями, Web, а также другими службами объемы хра­нимых данных увеличиваются на величину, варьирующую в пределах от 75 до 150% в год. Растущие подобно снежному кому требования к объемам памяти, а также трудности, связанные с управлением этими объемами данных, приводят к появлению новых типов инфраструктур хранилищ данных.

С ети SAN. Локальные сети, организованные в соответствии с архитектурой «сервер—хранилище данных» (SAN, Storage Area Networks Storage), предлагают корпоративное решение, ориентированное на компании, которые нуждаются в раз­делении информации между приложениями и вычислительными платформами. Сеть «сервер—хранилище данных» — это высокоскоростная локальная сеть, пред­назначенная для хранения данных. В рамках этой структуры обеспечивается ин­теграция различных устройств памяти, таких как библиотеки на магнитных лен­тах и дисковые массивы. Данные в локальной сети перемещаются между пулами серверов и устройств памяти, в результате чего создается корпоративная инфра­структура, позволяющая организовать хранение данных. Как правило, важная ин­формация хранится на серверах, размещенных в различных местах, а благодаря сети SAN данные становятся доступными для всех сетевых серверов. При этом создается большой центральный пул памяти, который может использоваться совместно несколькими серверами. Благодаря этому пользователи могут быстро распределять данные в сети SAN. Причем каждый пользователь может получать доступ к данным, хранящимся на любом сервере. На рис. 5.7 показано, как функ­ционирует сеть SAN. Устройства памяти SAN установлены в собственных локаль­ных сетях, а их взаимодействие обеспечивается с помощью высокоскоростных

Storage area network (SAN) (сетевое хранилище данных)

Высокоскоростная локальная сеть, предназначенная для организации хране­ния данных. Здесь происходит взаимодействие различных типов вторичной памяти, например библиотек магнитных^лент и дисковых массивов.

В подобных сетях возможна организация хранения данных в масштабах предприятия с помощью различных типов устройств памяти. При этом пользователи могут получать доступ к данным в любом месте сети SAN

каналов связи (например, оптоволоконных кабелей). При этом поддерживается взаимодействие любого сервера и устройства хранения данных, а также различ­ных устройств хранения данных в сети.

Эксплуатация сетей SAN может быть связана с высокими затратами, а управ­ление ими — сложно. Наличие множества устройств влечет за собой большое ко­личество рабочих функций, которые должны координироваться в локальной сети (Gibson и Van Meter, 2000). Сети SAN весьма полезны для тех компаний, которым необходим быстрый доступ к данным, относящимся к распределенным пользова­телям, и которые имеют средства для долговременных инвестиций в инфраструк­туру хранилищ данных.

Интерактивные провайдеры услуг хранения данных. Стремительно расту­щие потребности в хранилищах данных приводят к тому, что во многих организа­циях пересматривается традиционный взгляд на компьютерную память как на некое аппаратное устройство. Начинает преобладать взгляд на технологию орга­низации хранения данных исходя из некой «теории полезности» (как в случае с электро- и водоснабжением). Исходя из соображений, диктуемых этой теорией, мы используем то, что требуется в данный момент времени, а затем оплачиваем

фактически потребленные услуги. В силу этого некоторые компании больше не поддерживают собственные хранилища данных. Вместо этого они арендуют мощ­ности, требуемые для организации хранения данных, у специализированной орга­низации. Провайдер услуг хранения данных (SSP, storage service provider) пред­ставляет собой независимую организацию, которая сдает в аренду пространство дисковой памяти подписчикам в Web. Организации, специализирующиеся на предоставлении подобного рода услуг, продают пространство, используемое для хранения данных, на условиях оплаты фактически потребленного объема, В этом случае заказчики могут организовывать хранение и доступ к собственным дан­ным, не нуждаясь в приобретении и монтировании собственных устройств памя­ти. (Подобная схема работы возможна и в случае с программным обеспечением, как указано в гл. 6.) Некоторые преимущества, связанные с работой с провайде­ром служб памяти, описаны в «Окне управления».

Устройства ввода/вывода

Как правило, взаимодействие человека с компьютерной системой осуществляет­ся с помощью устройств ввода/вывода. Устройства ввода предназначены для сбора данных с их последующим преобразованием в электронный формат, пригодный для обработки компьютером. Устройства вывода просто отображают обработан­ные данные.

Устройства ввода

Как и ранее, клавиатура остается основным методом ввода текста и числовых дан­ных в компьютер. Огромной популярностью при работе в графических средах также пользуются устройства позиционирования данных, такие как компьютер­ная мышь или сенсорный экран. С их помощью возможны ввод команд и выделе­ние нужной информации на экране.

Устройства позиционирования

К омпьютерная мышь — портативное устройство, позволяющее указывать на эле­менты данных (интерфейса). Как правило, мышь подключена к компьютеру с по­мощью кабеля. Пользователь может перемещать мышь по столу, управляя поло­жением курсора на экране. Команды выбираются путем нажатия соответствующей кнопки. Мышь также применяется для «рисования» изображений на экране. В ка­честве устройств позиционирования портативных компьютеров часто использу­ются трекболы и сенсорные панели (touch pad).

Storage service provider (SSP) (провайдер услуг хранения данных)

Независимый провайдер, предоставляющий подписчикам пространство для хранения данных. В качестве среды передачи данных используется Web, при­чем потребители могут хранить данные, а также получать доступ к ним, не ис­пытывая потребности в приобретении и поддержке собственных устройств, предназначенных для хранения данных.

Computer mouse (компьютерная мышь)

Портативное устройство ввода данных, результатом перемещения которого по рабочей поверхности является изменение положения курсора на экране.

О КНО УПРАВЛЕНИЯ

Провайдеры услуг хранения данных: хранилища данных приобретают популярность

Из-за постоянного роста количества документов, связанных с электронной почтой, графикой, видео, звуком и электронной коммерцией, многие компа­нии начинают испытывать проблемы, связанные с организацией хранения столь большого объема данных. Согласно результатам исследований компа­нии Dataquest Gartner из Лоуэлла (штат Массачусетс), требования к хранили­щам данных удваиваются каждый год, причем это происходит на протяжении довольно продолжительного периода времени. В силу этого многие компа­нии не могут адекватно оценить объем будущих потребностей в хранилищах данных. Более того, хранилища данных, а также управление ими усложняются практически ежедневно, в результате чего начинает проявляться «дефицит» технических экспертов, занимающихся проблемами, связанными с хранени­ем данных. Именно поэтому многие компании вынуждены обращаться к про­вайдерам услуг хранения данных (SSP).

Большинство провайдеров SSP хранят корпоративные данные, используя возможности собственного оборудования, установленного на собственных web-сайтах. Они функционируют подобно электростанциям общего пользо­вания: компания-потребитель заказывает хранилище необходимого ей объ­ема, а затем ежемесячно оплачивает предоставляемые услуги. В распоряже­нии провайдера SSP оказываются аппаратное обеспечение, ПО и персонал, используемые для организации хранения данных. Компании могут пользо­ваться услугами провайдеров SSP в целях замены или в дополнение к соб­ственной инфраструктуре хранения данных. Для достижения коммерческого успеха провайдеры SSP должны обеспечивать высокую степень надежности и доступности своих услуг, а также своевременно внедрять последние техно­логические новинки. Они также должны отслеживать хранящиеся данные, управ­лять свободным объемом памяти, используемой для хранения данных, вре­менем отклика и обеспечиваемым уровнем надежности. Обычно провайдеры SSP предлагают своим потребителям услуги по архивированию и выборке данных, а также восстановлению информации, утерянной из-за сбоев. Стан­дартная стоимость услуг составляет около $50 тыс. в месяц из расчета на один терабайт информации, однако некоторые из них предлагают свои услуги по цене, не превышающей $30 тыс. По мере появления на этом рынке услуг новых компаний стоимость неизбежно падает.

Пользователям услуг SSP не нужно выделять средства на приобретение аппаратных средств и ПО, требуемых для организации хранения данных. Также не требуется нанимать квалифицированный персонал. Исключены затраты

С помощью сенсорных экранов пользователи могут вводить относительно небольшие объемы данных. Сам процесс ввода осуществляется с помощью каса­ния чувствительной поверхности монитора пальцем или специальным указате­лем. Сенсорные экраны часто применяются в автоматизированных справочных системах, установленных в магазинах, ресторанах и на вокзалах.

Автоматизация исходных данных. Автоматизация ввода данных пред­усматривает захват данных в воспринимаемом компьютером формате непосред-

с редств, направляемых на построение и поддержку собственной инфраструк­туры хранения данных. Перечисленные причины приводят к тому, что услуги SSP выглядят весьма привлекательными

Первыми пользователями услуг SSP были первопроходцы Интернета. Мно­гим из них требовалось хранить большие массивы данных при отсутствии должных средств. Они могут вложить свои ограниченные средства, развивая такие фундаментальные инициативы, как разработка web-сайтов и программ, а также организуя систему управления качеством. Например, рассмотрим находящуюся в Нью-Йорке компанию Flooz, которая является поставщиком подарков, заказываемых через Интернет. Эта компания заключила договор, предметом которого является предоставление услуг по хранению данных, с компанией Storage Networks Inc., находящейся во Фримонте, штат Кали­форния. Получая ежемесячную оплату за услуги, StorageNetworks организует хранение данных компании Flooz в сети «сервер—хранилище данных» (SAN). Благодаря услугам SSP компания Flooz получает в свое распоряжение высо­кокачественное и надежное хранилище данных, причем полностью исключе­ны большие затраты, которые пришлось бы неизбежно нести в процессе по­строения и дальнейшего сопровождения новой инфраструктуры хранения данных.

Большие «устоявшиеся» компании не хотят полностью переходить на поль­зование услугами SSP. Часто они обращаются к ним для хранения менее важ­ных данных (в тестовом режиме). Как правило, в распоряжении этих компа­ний оказываются ранее созданные центры по обработке данных, включающие всю требуемую инфраструктуру, поэтому экономия средств в данном случае будет не столь уж большой. Помимо этого, подобные компании опасаются возможных потерь в случае, если доступ к важным данным получат посторон­ние люди. И наконец, руководство этих компаний полагает, что безопасность хранимых на сайтах провайдеров SSP данных находится под угрозой. Они так­же испытывают серьезные опасения по поводу субподрядных договоров — обслуживающий персонал ББРврядли будет относиться к сохранению данных посторонней организации столь же серьезно, как к хранению своих собствен­ных данных.

Информация к размышлению. Какого рода проблемы, связанные с управ­лением, технологией и организацией, оказывают влияние на принятие реше­ния относительно обращения к услугам SSP?

Источники: Stephanie Wilkinson. «Phone Bill, Electricity Bill, Storage Bill?» Datamation, October 24, 2000; Philip Gordon. «Convenient Online Storage». Information Week, July 3,2000; Nick Wredon.«Outsourcing Options; A Hard Sell», Information Week, October 2, 2000; Lisa Kalis. «The Storage Space», Red Herring Alogozine, March 1, 2000; Tom Stein. «The New Rage for Storage», Red Herring Magazine, March 1, 2000.

ственно во время и в месте их создания. К основных технологиям автоматизации ввода данных относят: оптическое распознавание символов, распознавание маг-ниточернильных символов, ввод данных с помощью светового пера, цифровых сканеров и сенсоров, а также речевой ввод.

Устройства оптического распознавания символов (OCR) преобразуют спе­циально выделенные метки, символы и коды в цифровой формат. Примером наи­более часто используемого оптического кода может служить штрих-код, исполь-

зуёмый для считывания цены товара с помощью специальных сканеров. Штрих-коды также применяются в больницах, библиотеках, военных организациях и транспортных агентствах. В дополнение к идентификационным данным эти коды могут включать сведения о времени, дате, а также местоположении производите­ля. Эта информация может быть полезной при анализе перемещений товаров и определении того, что может произойти с ними во время производства, а также в ходе осуществления других процессов. (Штрих-коды уже рассматривались ра­нее, когда в гл. 1 обсуждалась деятельность службы UPS.)

Технология распознавания магниточернильных символов (MICR) прежде всего применяется в банковской сфере в целях проверки выполнения тех или иных процессов. В нижней части типичного банковского чека находятся симво­лы, идентифицирующие банк, расчетный счет, а также номер чека, напечатанные с помощью специальных магнитных чернил. Сканер MICR преобразует эти сим­волы в цифровую форму, воспринимаемую компьютером.

С уществуют устройства распознавания символов, предназначенные для обра­ботки данных, вводимых вручную. Примерами подобных устройств могут слу­жить планшеты со световыми перьями, ноутбуки и блокноты, позволяющие вос­пользоваться всеми преимуществами новых технологий ввода данных. Особенно полезными эти технологии могут оказаться для тех, кто работает в сфере продаж или услуг, а также для владельцев традиционных клавиатур, которые стремятся разнообразить свою жизнь. Устройства ввода на базе светового пера преобразу­ют результат движения электронного пера по поверхности чувствительного экра­на в цифровую форму. Например, водители службы United Parcel Service вместо планшетов для сбора информации пользуются DIAD-устройствами, снабженны­ми аккумуляторами (Delivery Information Acquisition Device, устройства достав­ки полученной информации). Эти устройства позволяют автоматизировать сбор подписей (дополнительные сведения по этой теме можно найти в гл. 1, «Окно технологии») наравне с другой информацией, необходимой для получения и до­ставки по месту назначения посылок.

Touch screen (сенсорный экран)

Технология ввода данных, обеспечивающая ввод команд и данных путем при­косновения к чувствительному экрану монитора пальцем или специальным указателем.

Source data automation (автоматизация ввода данных)

Технология ввода данных, которая предусматривает захват данных в форма­те, воспринимаемом компьютером, непосредственно во время и в месте их создания.

Optical character recognition (OCR) (оптическое распознавание симво­лов)

Форма автоматизации исходных данных, применяемая при работе с устрой­ствами оптического сканирования. В процессе сканирования производится чтение специальным образом подготовленных данных, относящихся к исход­ным документам, а также их преобразование в цифровой формат, используе­мый компьютерами.

B ar code (штрих-код)

Разновидность OCR-технологии, широко применяемой в супермаркетах и обыч­ных магазинах, которая предусматривает кодирование идентификационных данных в виде набора штрихов.

Magnetic ink character recognition (MICR) (распознавание магниточер-нильных символов)

Технология ввода данных, реализующая преобразование напечатанных с по­мощью магнитных чернил символов в цифровые коды, используемые для дальнейшей обработки.

Pen-based input (ввод данных с помощью светового пера)

Такие устройства ввода данных, как планшеты, ноутбуки и блокноты, состоят из плоского экрана и светового пера, с помощью которого производится оцифровка вводимых данных.

Digital scanners (цифровые сканеры)

Устройства ввода, которые преобразуют изображения (картинки или доку­менты) в цифровую форму в целях выполнения дальнейшей обработки.