Назад (Информатика).

Устройства и характеристики внешней памяти вычислительной машины

В связи с невозможностью постоянного хранения данных и ограниченным объемом основной памяти компьютера большинство машин обеспечивается устройствами дополнительной памяти, которые называются внешней памятью, или запоминающими устройствами большой емкости.

В их число входят магнитные диски, компакт-диски и магнитные ленты. Преимущества таких устройств, по сравнению с основной памятью компьютера, состоят в долговременности хранения данных, большей емкости и, в большинстве случаев, возможности извлечения носителя информации из машины в целях архивирования.

Магнитные диски

Одним из наиболее распространенных типов внешней памяти, применяемых в наше время, являются магнитные диски. В этих устройствах в качестве носителя данных используется тонкий вращающийся диск с магнитным покрытием. Головки чтения-записи размещаются над или под диском таким образом, что во время вращения диска каждая головка описывает над ним круг, называемый дорожкой, расположенной на верхней или нижней поверхности диска. Перемещая головки чтения-записи над поверхностью диска, можно получить доступ к различным концентрическим дорожкам. Чаще всего дисковая система памяти состоит из нескольких дисков, смонтированных на общей оси и расположенных друг над другом. Между дисками оставляется пространство, достаточное для перемещения головок чтения-записи между пластинами. Все головки чтения-записи в этом случае двигаются как единое целое. При каждом перемещении головок становится доступной новая группа дорожек, которую принято называть цилиндром. Так как дорожка может содержать больше информации, чем обычно требуется одновременно обрабатывать, все дорожки поделены на зоны, или секторы, в которых информация записывается в виде непрерывной строки битов. Каждая дорожка внутри дисковой системы содержит одинаковое количество секторов, а каждый сектор, в свою очередь, - одинаковое число двоичных разрядов. Это означает, что в секторах, которые находятся ближе к центру диска, биты данных размещаются более компактно, по сравнению с дорожками, расположенными ближе к внешнему краю. Количество дорожек на поверхности диска, а также количество секторов на дорожках могут значительно отличаться в разных дисковых устройствах. Размеры секторов обычно не превышают нескольких килобайт. Чаще всего размер сектора составляет 512 или 1024 байта.

Расположение дорожек и секторов не является постоянной характеристикой, зафиксированной в физической структуре диска. На самом деле они маркируются магнитным способом с помощью процесса, который называется форматированием диска. Этот процесс обычно осуществляется той фирмой, которая производит дисковые устройства, и на рынок поступают уже отформатированные диски. Большинство компьютерных систем тоже могут форматировать диски. Поэтому в случае повреждения формата диска он может быть переформатирован, однако это приведет к уничтожению всей информации, которая прежде была записана на данном устройстве.

Емкость дисковых устройств зависит от числа используемых в нем дисковых пластин, а также от плотности размещения дорожек и секторов на их поверхности. Дисковые системы малой емкости состоят из единственного пластикового диска, который называется дискетой, или гибким диском. Современные гибкие диски размером 3½ дюйма имеют жесткие пластиковые корпуса, а не гибкие упаковки, в отличие от своих более старых аналогов диаметром 5¼ дюйма, которые упаковывались в бумажные конверты. Дискеты легко вставляются и вынимаются из устройств, а также достаточно удобны в хранении. Поэтому они часто используются как автономные хранилища информации. Универсальная дискета размером 3½ дюйма имеет емкость, достаточную для хранения 1.44 Мбайт информации.

Дисковые системы большой емкости способны хранить многие гигабайты информации. Такие устройства включают от пяти до десяти жестких дисковых пластин, смонтированных на общей оси. Поскольку используемые в таких устройствах диски являются жесткими, их называют системами с жестким диском, в отличие от гибких дисков, обсуждавшихся выше. Чтобы увеличить скорость вращения дисков, головки чтения-записи в таких системах размещены так, что они не соприкасаются с поверхностью диска, а как бы "плавают" над поверхностью с магнитным покрытием. Расстояние между головкой и диском настолько мало, что даже отдельная частица пыли может застрять между ними и вызвать их повреждение [явление, известное как разрушение головки]. Поэтому устройства жестких дисков герметически упаковывают в коробки и запечатывают непосредственно на том предприятии, где они изготовляются.

Для оценки производительности дисковой системы используется несколько параметров:

время установки [время, которое требуется для перемещения головки чтения-записи с одной дорожки на другую]; задержка вращения, или время ожидания [половина времени, за которое совершается полный оборот диска, что составляет среднее время, необходимое для того, чтобы нужные данные появились под головкой чтения/записи после того, как она разместится над выбранной дорожкой];
время доступа [сумма времени установки и времени ожидания], а также скорость передачи данных [скорость, с которой данные могут передаваться дисковому устройству или считываться с него].

Устройства с жесткими дисками имеют намного лучшие характеристики в сравнении с устройствами, использующими гибкие диски. Так как головки чтения-записи не соприкасаются с поверхностью жесткого диска, скорость вращения достигает от 3000 до 7000 оборотов в минуту, тогда как скорость вращения гибких дисков составляет только 300 оборотов в минуту. Поэтому устройства с жесткими дисками имеют более высокую скорость передачи, измеряемую обычно в мегабайтах в секунду, тогда как скорость передачи данных гибких дисков измеряется в килобайтах в секунду.

Поскольку работа дисковых устройств требует физического перемещения носителя, жесткие и гибкие диски проигрывают в скорости по сравнению с электронными схемами. Это неудивительно, так как задержки в электронных схемах измеряются в наносекундах [миллиардная доля секунды] и меньше, тогда как время установки, ожидания и доступа дисковых устройств измеряется в миллисекундах [тысячная доля секунды].

Компакт-диски

Еще одной популярной технологией хранения данных являются компакт-диски [Compact Disk, CD]. Это диски диаметром 12 сантиметров, изготовленные из отражающего материала, покрытого прозрачным защитным слоем. Информация записывается посредством создания изменений на отражающей поверхности диска и считывается с помощью лазерного луча, который отслеживает неравномерности на отражающей поверхности диска во время его вращения.

В компакт-дисках для хранения компьютерных данных применяется формат CD-ROM [компакт-диск - постоянное запоминающее устройство]. В отличие от устройств с магнитными дисками, где запись данных осуществляется на концентрических дорожках, информация на компакт-дисках записывается на единственной дорожке, которая закручивается спиралью на поверхности диска подобно желобку на старых грампластинках, но в отличие от старых грампластинок дорожка на компакт-диске записывается в направлений от центра к краю. Эта дорожка разделена на части, которые называют секторами. Все секторы содержат одинаковое количество данных, и у каждого есть своя личная маркировка. Сектор в формате CD-ROM содержит 2 Кбайт информации.

Из соображений увеличения емкости компакт-диска информация записывается с одной и той же линейной плотностью по всей длине спиральной дорожки. Это означает, что на витке во внешней части спирали хранится большее количество информации, чем на витке в ее внутренней части. Поэтому за один оборот диска будет считываться больше секторов, когда лазерный луч сканирует внешнюю часть спиральной дорожки, и меньше секторов, когда луч будет сканировать внутреннюю часть дорожки. В результате, чтобы получить равномерную скорость пересылки данных, CD-плееры разрабатываются таким образом, чтобы можно было изменять скорость вращения диска в зависимости от расположения лазерного луча.

Благодаря подобным конструктивным решениям запоминающие системы с компакт-дисками имеют большую производительность при работе с длинными, непрерывными строками данных, например при воспроизведении музыки. Однако если прикладной программе требуется произвольный доступ к данным, подход, используемый в устройствах магнитных дисков, оказывается эффективнее спирального метода записи, используемого в компакт-дисках.

Вслед за первыми моделями CD-плееров, имеющих скорость считывания 150 Кбайт/с, вскоре появились устройства с удвоенной и учетверенной скоростью считывания. Для устройств с большей скоростью слов уже не нашлось, и теперь кратность скорости обозначают числами: 2-х, 4-х, 6-х, 8-х, 10-х, 12-х, 16-х, 20-х, 24-х.

Емкость компакт-диска в формате CD-ROM составляет немного больше 600 Мбайт. Однако уже появились новые дисковые форматы, например DVD [Digital Versatile Disk - цифровой универсальный диск]. В этом формате емкость каждого носителя составляет около 10 Гбайт. На таких компакт-дисках можно хранить мультимедиа-презентации, в которых аудио и видео информация комбинируется в целях более интересной и содержательной подачи материала. Главная задача разработки стандарта DVD состоит в предоставлении инструментальных средств для записи на компакт-диски полнометражных кинофильмов.

Еще одним вариантом в технологии компакт-дисков является формат CD-R [Compact Disk - Recordable - компакт-диск с возможностью записи]. Он позволяет записывать данные на компакт-диск после его изготовления, а не во время этого процесса. Эти устройства чрезвычайно удобны для архивирования, а также для производства записей на компакт-дисках в небольших количествах.

Диск CD-R - это не то же самое, что обычный компакт-диск. На поверхности диска не выжигаются углубления. Чистый диск CD-R покрыт слоем красящего вещества с такими же отражающими свойствами, как у алюминиевого покрытия обычного компакт-диска, и считывающее устройство не сможет найти на нем ни одного штриха. Когда на диск начинают записывать данные луч лазера разогревает слой золота и слой красящего вещества. В результате нагревания некоторые участки поверхности начинают рассеивать свет точно также, как углубления на поверхности обычного компакт-диска. Считывающее устройство тоже воспринимает эти участки как углубления, хотя это просто "пятнышки" с меньшим о тражением, образовавшиеся в результате химической реакции от нагревания золота и красящего вещества.

После определения стандарта CD-RW [Compact Disk - ReWriteable - компакт-диск с возможностью перезаписи] эти накопители стали популярной альтернативой накопителям CD-R. Диск CD-RW можно перезаписывать как минимум несколько тысяч раз. Постоянное снижение стоимости устройств CD-RW позволяет их использовать для резервного копирования, архивации и других задач хранения данных.

Светочувствительная краска на диске CD-R изменяет отражающее свойства при попадании луча лазера. Это изменение свойств необратимо. Диск CD-RW также имеет слой, который изменяет отражающую способность при попадании луча лазера, но в отличие от диска CD-R это обратимо. Активный слой диска CD-RW представляет собой сплав, который при обычном состоянии обладает отражающими свойствами. При записи диска в накопителе CD-RW лазер работает на полной мощности и разогревает активный материал до температуры 500-700 ℃, превращая его в жидкость. В таком состоянии материал теряет отражающие свойства. Периодически разогревая с помощью лазера активный материал можно создать отражающие и неотражающие участки диска, т. е. штрихи. Для возврата диска в первоначальное состояние лазер на низкой мощности разогревает активный материал до температуры порядка 200 ℃ и отражающие свойства восстанавливаются.

Магнитная лента

В более ранних типах запоминающих устройств большой емкости используется магнитная лента. В этом случае информация записывается на магнитное покрытие тонкой пластиковой ленты, которая для хранения наматывается на бобину. Чтобы получить доступ к записанным на ней данным, магнитная лента устанавливается на устройство, называемое лентопротяжным механизмом. Это устройство позволяет считывать, записывать и перематывать магнитную ленту под управлением компьютера. По своим размерам лентопротяжные механизмы могут варьироваться от небольших кассетных блоков, называемых стриммерами, до более старых и громоздких катушечных устройств.

В современных стриммерных устройствах лента разделена на сегменты, которые маркируются магнитным способом в процессе форматирования. Каждый из сегментов содержит несколько дорожек, расположенных вдоль ленты параллельно друг другу. К каждой такой дорожке доступ можно получить независимо от других. Это означает, что лента в сущности состоит из совокупности отдельных строк битов, напоминающих секторы на диске.

Основным недостатком стриммерных устройств является то, что для доступа к информации может потребоваться достаточно много времени, поскольку это связано с перемоткой ленты с одной бобины на другую. Поэтому лентопротяжные устройства характеризуются существенно большим временем доступа к информации, чем устройства с магнитными дисками, в которых для доступа к различным секторам достаточно короткого перемещения головки чтения-записи. Именно по этой причине лентопротяжные устройства не приобрели широкой популярности в качестве основных носителей информации. Однако если речь идет об архивировании данных, то большая емкость, надежность и невысокая стоимость ленточных устройств позволяют считать их хорошим выбором среди прочих современных устройств хранения данных.

Flash-память

Flash-память - особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти. В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, элемент Flash-памяти не содержит конденсаторов - типичный элемент Flash-памяти состоит всего-навсего из одного транзистора особой архитектуры. Элемент Flash-памяти прекрасно масштабируется, что достигается не только благодаря успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в одном транзисторе Flash-памяти хранить несколько бит информации.

Flash-память исторически происходит от ROM и функционирует подобно RAM, но в отличие от RAM, при отключении питания данные из Flash-памяти не пропадают. Информация, записанная в Flash-память, может храниться очень длительное время. Замены RAM Flash-памятью не происходит из-за двух особенностей: Flash-память работает существенно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи.

Основное преимущество Flash-памяти перед жесткими дисками и носителями CD-ROM состоит в том, что Flash-память потребляет значительно меньше энергии во время работы. В устройствах CD-ROM, жестких дисках, кассетах и других механических носителях информации, большая часть энергии уходит на приведение в движение механики этих устройств. Кроме этого, Flash-память компактнее большинства механических носителей информации.

Сохранение и считывание файлов

Информация во внешней памяти хранится в виде больших блоков, которые принято называть файлами. Типичный файл может содержать некоторый текстовый документ, фотографию или программу. Физические особенности устройств внешней памяти требуют, чтобы файлы сохранялись и считывались отдельными блоками из большого количества байтов. Например, каждый сектор на магнитном диске должен обрабатываться как одна непрерывная строка битов. Блок данных, соответствующий физическим характеристикам запоминающего устройства, называется физической записью. Поэтому файл, записанный во внешнюю память, обычно состоит из множества физических записей.

Помимо разделения на физические записи, любой файл обычно подразумевает некоторое естественное разграничение представленной в нем информации. Например, файл с информацией о персонале компании будет состоять из множества элементов, каждый из которых содержит сведения об отдельном человеке. Такие блоки данных, естественным образом образующиеся при создании файла, называют логическими записями.

Размер логической записи редко совпадает с размером физической записи, который определяется типом устройства внешней памяти. Поэтому несколько логических записей могут помещаться в одну физическую запись, и наоборот, логическая запись при необходимости может разделяться на несколько физических. В результате считывание данных файла с устройства внешней памяти обычно связано с восстановлением его логических записей из физических. Типичный способ решения этой проблемы состоит в выделении некоторой области основной памяти, достаточно большой для размещения нескольких физических записей файла, и использовании ее в качестве промежуточного хранилища для перегруппировки информации. В результате обмен данными между этой промежуточной областью и устройством массовой памяти может осуществляться блоками данных, соответствующими физическим записям, тогда как для программ находящаяся в основной памяти информация может быть представлена в виде логических записей. Используемая подобным образом область основной памяти называется буфером.

Использование буфера поясняет относительную роль основной и внешней памяти в системе. Основная память используется для хранения данных в целях их обработки, тогда как внешняя память является постоянным хранилищем информации. Таким образом, обновление сохраняемой во внешней памяти информации предполагает передачу информации в основную память, изменение ее, а затем возврат обновленной информации во внешнюю память.