Устройства хранения информации

К устройствам хранения информации относятся:

• постоянные запоминающие устройства (ПЗУ или ROM),

• оперативное запоминающее устройство ил оперативная память (ОЗУ. ОП или RAM),

• внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

ПЗУ располагается на материнской плате. Информация заносится в микросхемы ПЗУ при их изготовлении и изменяться не могут. Большинство современных микросхем ПЗУ в случае необходимости допускает перезапись хранящейся в них информации на специальном устройстве, называемом программатором. В ПЗУ хранится BIOS программы управления внешними устройствами, инициализации и проверки оборудования, инициализации загрузки операционной системы. Программы инициализации автоматически запускаются на выполнение при включении питания компьютера.

ОП позволяет считывать и записывать информацию. Организована по адресному принципу. Имеет высокую скорость чтения/записи по сравнению с ВЗУ. При отключении питания информация теряется. В ОП хранятся данные и программа (управляющая информация) их обработки. ПЗУ и ОП имеют единое адресное пространство.

ВЗУ - накопители на гибких магнитных дисках (НГМД),накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), накопители на магнитных лентах. Имеют больший объем памяти, но меньшее быстродействие. Хранят информацию, которую компьютер в данный момент не использует. При отключении питания информация сохраняется.

Жесткий диск - основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Таким образом, этот «диск»- имеет не две поверхности, как должно быть у обычного плоского диска, а 2n поверхностей, где n — число отдельных дисков в группе.

Над каждой поверхностью располагается головка, предназначенная для чтения-записи данных. При высоких скоростях вращения дисков (90 об/с) в зазоре между головкой и поверхностью образуется аэродинамическая подушка, и головка парит над магнитной поверхностью на высоте, составляющей несколько тысячных долей миллиметра. При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в зазоре, что вызывает изменения в стационарном магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. Так осуществляется запись данных на магнитный диск.

Операция считывания происходит в обратном порядке. Намагниченные частицы покрытия, проносящиеся на высокой скорости вблизи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции. Электромагнитные сигналы, возникающие при этом, усиливаются и передаются на обработку.

Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно - логическое устройство — контроллер жесткого диска. В прошлом оно представляло собой отдельную дочернюю плату, которую подключали к одному из свободных слотов материнской платы. 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.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность.

Емкость дисков зависит от технологии их изготовления. В настоящее время большинство производителей жестких дисков используют изобретенную компанией IBM технологию с использованием гигантского магниторезистивного эффекта (GMR — Giant Magnetic Resistance). Теоретический предел емкости одной пластины, исполнен' ной по этой технологии, составляет порядка 20 Гбайт. В настоящее время достигнут технологический уровень 6,4 Гбайт на пластину, но развитие продолжается.

С другой стороны, производительность жестких дисков меньше зависит от технологии их изготовления. Сегодня все жесткие диски имеют очень высокий показатель скорости внутренней передачи данных (до 30-60 Мбайт/с), и потому их производительность в первую очередь зависит от характеристик интерфейса, с помощью которого они связаны с материнской платой. В зависимости от типа интерфейса разброс значений может быть очень большим: от нескольких Мбайт/с до 13-16 Мбайт/с для интерфейсов типа EIDE; до 80 Мбайт/с для интерфейсов типа SCSI и от 50 Мбайт/с и более для наиболее современных интерфейсов типа IEEE 1394.

Кроме скорости передачи данных с производительностью диска напрямую связан параметр среднего времени доступа. Он определяет интервал времени, необходимый Для поиска нужных данных, и зависит от скорости вращения диска. Для дисков, вращающихся с частотой 5400 об/мин, среднее время доступа составляет 9-10 мкс, дл дисков с частотой 7200 об/мин — 7-8 мкс. Изделия более высокого уровня обеспечивают среднее время доступа к данным 5-6 мкс.

Между тем пространство на жестком диске ограничено, а в стандартный ПК можно установить весьма незначительное число дисков. Кроме того, по сравнению с другими вариантами хранения данных жесткие диски относительно дороги.

Информация на жестком диске может храниться годами, однако иногда требуется, её перенос с одного компьютера на другой. Несмотря на свое название, жесткий диск является весьма хрупким прибором, чувствительным к перегрузкам, ударам и толчкам. Теоретически, переносить информацию с одного рабочего места на другое путем переноса жесткого диска возможно, и в некоторых случаях так и поступают, но все-таки этот прием считается нетехнологичным, поскольку требует особой аккуратности и определенной квалификации.

Для оперативного переноса небольших объемов информации используют так называемые гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляют в специальный накопитель — дисковод. Приемное отверстие накопителя находится на лицевой панели системного блока. Правильное направление подачи гибкого диска отмечено стрелкой на его пластиковом кожухе.

Основными параметрами гибких дисков являются: технологический размер (изменяется в дюймах), плотность записи (измеряется в кратных единицах) и полная емкость.

Первый компьютер IBM PC (родоначальник платформы) был выпущен в 1981 году :С нему можно было подключить внешний накопитель, использующий односторонние гибкие диски диаметром 5,25 дюйма. Емкость диска составляла 160 Кбайт. В следующем году появились аналогичные двусторонние диски емкостью 320 Кбайт. Начиная с 1984 года выпускались гибкие диски 5,25 дюйма высокой плотности (1,2 Мбайт). В наши дни диски размером 5,25 дюйма не используются, и соответ­ствующие дисководы в базовой конфигурации персональных компьютеров после 1994 года не поставляются.

Гибкие диски размером 3,5 дюйма выпускают с 1980 года. Односторонний диск обычной плотности имел емкость 180 Кбайт, двусторонний — 360 Кбайт, а двусто­ронний двойной плотности — 720 Кбайт. Ныне стандартными считают диски размером 3,5 дюйма высокой плотности. Они имеют емкость 1440 Кбайт (1,4 Мбайт) я маркируются буквами HD (high density — высокая плотность).

С нижней стороны гибкий диск имеет центральную втулку, которая захватывается шпинделем дисковода и приводится во вращение. Магнитная поверхность прикрыта сдвигающейся шторкой для защиты от влаги, грязи и пыли. Если на гибком диске записаны ценные данные, его можно защитить от стирания и перезаписи, сдвинув защитную задвижку так, чтобы образовалось открытое отверстие. Для разрешения записи задвижку перемещают в обратную сторону и перекрывают отверстие. В некоторых случаях для безусловной защиты информации на диске задвижку выламывают физически, но и в этом случае разрешить запись на диск можно, если, например, заклеить образовавшееся отверстие тонкой полоской липкой ленты.

Гибкие диски считаются малонадежными носителями информации. Пыль, грязь, влага, температурные перепады и внешние электромагнитные поля очень часто становятся причиной частичной или полной утраты данных, хранившихся на гибком диске. Поэтому использовать гибкие диски в качестве основного средства хранения информации недопустимо. Их используют только для транспортировки информации или в качестве дополнительного (резервного) средства хранения.

В период 1994-1995 годах в базовую конфигурацию персональных компьютеров перестали включать дисководы гибких дисков диаметром 5,25 дюйма, но вместо них стандартной стала считаться установка дисковода CD-ROM, имеющего такие же внешние размеры.

Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) переводится на русский язык как постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска. 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 Recorder), и устройства многократной записи CD-RW.

Основным параметром дисководов CD -ROM является скорость чтения данных. Она измеряется в кратных долях. За единицу измерения принята скорость чтения в первых серийных образцах составлявшая 150 Кбайт/с. Таким образом, дисковод с удвоенной скоростью чтения обеспечивает производительность 300 Кбайт/с, с учетверенной скоростью — 600 Кбайт/с и т. д. В настоящее время наибольшее распространение имеют устройства чтения CD-ROM с производительностью 32х-48х. Современные образцы устройств однократной записи имеют производительность 4х-8х, а устройств многократной записи — до 4х,

Устройства хранения данных на магнитной ленте (Tape Drive) - стримеры - являются распространенными средствами архивации данных. Они относятся к категории устройств хранения Off-Line, для них характерно очень большое время доступа, обусловленное последовательным методом доступа, средняя скорость обмена и большая емкость носителя - от сотен мегабайт до нескольких гигабайт. Носителем информации обычно являются картриджи с лентой шириной 1/4 дюйма (6.25 мм) - Quarter-Inch Cartridge, QIC. Широко распространены стандарты QIC 40 и QIC 80, имеющие продольную плотность записи 10000 бит/дюйм на 20 дорожках и 14700 бит/дюм на 28 дорожках соответственно, позволяющие хранить сотни Мбайт на одной ленте. Большие объемы обеспечивают стандарты QIC 1350 и QIC 2100 - 1.35 и 2.1 Гбайт соответственно. Девятидорожечные ленты шириной 1/2 дюйма (12,7 мм) типичны для накопителей мини- и больших (Mainframe) компьютеров. Стримеры могут иметь специфические интерфейсы, требующие специальных адаптеров; некоторые дешевые модели подключаются к стандартному контроллеру накопителей на гибких дисках вместе с дисководами; существуют устройства, подключаемые к параллельному порту. NetWare поддерживает только стримеры с интерфейсом SCSI, что объясняется его преимуществом в производительности системы в целом. Использование стримеров с другими интерфейсами может оказаться невозможным из-за отсутствия соответствующих драйверов. NetWare поддерживает ленточные устройства как средства архивирования и восстановления данных, на их использование ориентирована серверная утилита SBACKUP. Ленточные устройства имеют существенный недостаток - большие затраты времени на обслуживание.

• подготовка картриджа к использованию - тестирование поверхности и форматирование ленточных томов - весьма длительная процедура, занимающая время, исчисляемое часами. Приобретение предварительно отформатированных картриджей (Preformatted) позволяет экономить время (конечно, при условии совпадения форматов);

• процесс записи и считывания длителен из-за последовательного доступа и невысоких скоростей движения носителя;

• при длительном хранении ленты требуют периодической перемотки для снятия внутренних напряжений. Кроме того, при хранении необходимо выдерживать нормальные условия по температуре и влажности;

• основное преимущество стримеров - низкая удельная стоимость хранения больших массивов информации.

Ряд аналитиков считают, что именно ленточные накопители вступили в третью эпоху своего существования. Своему появлению эти устройства во многом обязаны корпорации IBM, которая в 1952 г. выпустила на компьютерный рынок первый ленточный накопитель. Начало второй эпохи - в 1987 г. - связано с появлением автоматизированных устройств; большую роль в их выпуске сыграли корпорации Exabyte и StorageTek. Третья эпоха должна ассоциироваться уже с "разумными" (intelligent) устройствами. Это стало насущной необходимостью, поскольку теперь каждый год в мире создается от 1 до 2 экзабайт (десять в восемнадцатой степени!) данных. Если говорить о цене хранения на ленте, то к 2007 г. она, по некоторым оценкам, должна упасть до 0,0005 цента за мегабайт информации. Это при том, что надежность подобных устройств уже сейчас достигает 200-300 тыс. ч безотказной работы. По прогнозам, в ближайшие пять лет емкость картриджа типового ленточного устройства достигнет 800 Гбайт, а скорость передачи данных превысит 100 Мбайт/с.

Несмотря на то, что приводов магнитных лент и картриджей разной конструкции существует достаточно много, базовых технологий, используемых во всех устройствах, - всего две.

1. линейная запись (запись с неподвижной магнитной головкой)

2. наклонно-строчная запись.

Оба метода пришли из аналоговой магнитной записи.

Линейная магнитная запись появилась она раньше. Аналоговые магнитофоны появились достаточно давно, а для записи данных эта технология уже использовалась в ЭВМ ЕС и СМ и даже ранее.

Суть состоит в том, что используется достаточно широкая лента с большим числом расположенных по всей длине ленты параллельных дорожек и многоканальная магнитная головка. Лента протягивается лентопротяжным механизмом мимо головки. При этом считывается часть (группа) дорожек. При достижении окончания ленты головка перепозиционируется на следующую группу дорожек, лентопротяжный механизм реверсирует движение ленты (лента движется обратно и записываются/считываются другие дорожки). Этот процесс повторяется, пока не будут считаны или записаны все дорожки. Этот метод записи называют серпантиновым. Линейная система записи имеет свои характерные особенности.

Чтобы обеспечить необходимую плотность записи лента должна двигаться мимо магнитной головки со скоростью порядка 160 дюймов/с (порядка 70 см/с). Чем быстрее достигается рабочая скорость движения ленты - тем меньше задержек при неизбежном старт-стопном движении ленты. Поэтому, чем более быстродействующий лентопротяжный механизм - тем больше механическая нагрузка на ленту и применение современных тонких лент AME в этом случае недопустимо.

Еще одна особенность - это обеспечение оптимального взаимного положения магнитной дорожки и рабочего зазора магнитной головки. Дело в том, что при движении ленты неизбежна некоторая девиация положения магнитной дорожки по высоте. Причина в неизбежном перемещении ленты в вертикальной плоскости при движении из-за некоторого люфта направляющих стоек или роликов и неабсолютная параллельность краев самой ленты. Это не критично при невысоких плотностях цифровой записи и для традиционной аналоговой записи, где ширина дорожки несколько больше ширины магнитного зазора и разница эта не меньше возможной девиации положения ленты по вертикали при движении по лентопротяжному тракту. Однако, для удовлетворения современных потребностей необходимо дальнейшее увеличение емкости картриджа. Так как нельзя просто намотать больше ленты (объем картриджа ограничен), и нельзя бесконечно уменьшать толщину ленты, то остается только одно - увеличение количества дорожек (плотность расположения) и использование более прогрессивных методов магнитной записи (RLL, PRML). Поэтому очевидно, что для увеличения количества дорожек на ленте требуется специальная система слежения и коррекция положения головки.

Другой метод магнитной записи - это наклонно-строчная магнитная запись. В середине 50-х годов фирмой Ampex был начат выпуск первых (естественно, аналоговых) видеомагнитофонов с наклонно-строчной записью Суть метода состоит в том, что лента протягивается с небольшой скоростью (несколько сантиметров в секунду) мимо вращающегося в высокой скоростью цилиндра, на котором закреплены головки чтения-записи. За счет вращения блока головок получается высокая относительная скорость между лентой и головкой. Преимущества этого метода следующие:

1. Так как абсолютная скорость движения ленты невелика, процессы старта и останова занимают меньше времени и оказывают меньшие механические нагрузки на ленту. Следовательно, можно использовать более тонкие ленты (например, новые более тонкие металлонапыленные ленты).

2. Кроме того, при наклонно-строчной записи плотность расположения дорожек (измеряется в количестве дорожек на 1 дюйм) в несколько раз выше, чем при линейной записи.

Это объясняется тем, что:

• во-первых, длина одной магнитной дорожки сравнительно невелика,

• во-вторых, применяется специальный механизм подстройки положения вращающегося барабана с магнитными головками, в-третьих, используются более совершенные носители.

Конечно, помимо преимуществ у наклонно-строчной записи есть и недостатки.

Это, прежде всего, ожидаемый более быстрый износ как ленты так и головок.

На самом деле, этого не происходит, так как при вращении барабана между рабочей поверхностью ленты и головкой создается некоторая воздушная прослойка, существенно снижающая трение ленты о головку чтения/записи.

С другой стороны, современные магнитные ленты с металлонапылением имеют специальное углеродное покрытие, обладающее высокой прочностью, и практически нулевой коэффициент трения