Дайте краткую характеристику дисковых интерфейсов ATA, ATAPI, SCSI.

Глава 6 Запоминающие

устройства ПК

Персональные компьютеры имеют четыре уровня памяти:

□ микропроцессорная память (МПП);

□ регистровая кэш-память;

□ основная память (ОП);

□ внешняя память (ВЗУ).

Две важнейших характеристики (емкость памяти и ее быстродействие) указан­ных типов памяти приведены в табл. 6.1.

Таблица 6.1.Сравнительные характеристики запоминающих устройств

Быстродействие первых трех типов запоминающих устройств измеряется временем обращения (t_o(tp) к ним, а быстродействие внешних запоминающих устройств — двумя параметрами: временем доступа (£_Д0(._Т) и скоростью считывания (V_C4HT):

Статическая и динамическая оперативная память

Q ^об_Р ^— сумма времени поиска, считывания и записи информации (в литературе это время часто называют временем доступа, что не совсем строго);

□ t_aocT — время поиска информации на носителе;

□ V_C4HT — скорость последовательного считывания смежных байтов информации.

Напомним общепринятые сокращения: с — секунда, мс — миллисекунда, мкс — микросекунда, не — наносекунда; 1с = 10⁶мс-= 10⁶мкс = 10⁹нс.

Статическая и динамическая оперативная память

Оперативная память может составляться из микросхем динамического (Dynamic Random Access Memory — DRAM) или статического (Static Random Access Memory — SRAM) типа.

Память статического типа обладает существенно более высоким быстродейст­вием, но значительно дороже DRAM. В статической памяти элементы (ячейки) построены на различных вариантах триггеров — схем с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в такую ячейку она может пребывать в этом состоянии сколь угодно долго — необходимо только наличие питания. При обра­щении к микросхеме статической памяти на нее подается полный адрес, который при помощи внутреннего дешифратора преобразуется в сигналы выборки конкрет­ных ячеек. Ячейки SRAM имеют малое время срабатывания (единицы наносе­кунд), однако микросхемы на их основе отличаются низкой удельной емкостью (единицы Мбит на корпус) и высоким энергопотреблением. Поэтому статиче­ская память используется в основном в качестве микропроцессорной и буфер­ной (кэш-память).

В динамической памяти ячейки построены на основе полупроводниковых об­ластей с накоплением зарядов — своеобразных конденсаторов, — занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггеры, и практически не потребляющих энергии при хранении. Конденсаторы расположены на пересечении вертикаль­ных и горизонтальных шин матрицы; запись и считывание информации осуще­ствляется подачей электрических импульсов по тем шинам матрицы, которые соединены с элементами, принадлежащими выбранной ячейке памяти. При обра­щении к микросхеме на ее входы вначале подается адрес строки матрицы, сопро­вождаемый сигналом RAS (Row Address Strobe — строб адреса строки), затем через некоторое время — адрес столбца, сопровождаемый сигналом С AS (Column Address Strobe — строб адреса столбца). Поскольку конденсаторы постепенно разряжаются (заряд сохраняется в ячейке в течение нескольких миллисекунд), во избежание потери хранимой информации заряд в них необходимо постоянно регенерировать, отсюда и название памяти — динамическая. На подзаряд тратит­ся и энергия, и время, и это снижает производительность системы.

Ячейки динамической памяти по сравнению со статической имеют большее время срабатывания (десятки наносекунд), но большую удельную плотность (порядка десятков Мбит на корпус) и меньшее энергопотребление. Динамическая память используется для построения оперативных запоминающих устройств основной памяти ПК.

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

Регистровая кэш-память

Регистровая кэш-память — высокоскоростная память сравнительно большой емкости, являющаяся буфером между ОП и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры кэш-памяти недоступны для пользо­вателя, отсюда и название кэш (cache), что в переводе с английского означает «тайник».

В современных материнских платах применяется конвейерный кэш с блочным доступом (Pipelined Burst Cache). В кэш-памяти хранятся копии блоков данных тех областей оперативной памяти, к которым выполнялись последние обраще­ния, и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы — быстрый до­ступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении программы данные, считанные из ОП с неболь­шим опережением, записываются в кэш-память. В кэш-память записываются и результаты операций, выполненных в МП.

По принципу записи результатов в оперативную память различают два типа кэш-памяти:

□ в кэш-памяти «с обратной записью» результаты операций, прежде чем их за­писать в ОП, фиксируются, а затем контроллер кэш-памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в ОП;

□ в кэш-памяти «со сквозной записью» результаты операций одновременно, па­раллельно записываются и в кэш-память, и в ОП.

Микропроцессоры начиная от МП 80486 обладают встроенной в основное ядро МП кэш'-памятью (или кэш-памятью 1-го уровня — L1), чем, в частности, и обу­словливается их высокая производительность. Микропроцессоры Pentium имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд: у Pentium емкость этой памяти небольшая — по 8 Кбайт, у Pentium MMX — по 16 Кбайт. У Pentium Pro и выше кроме кэш-памяти 1-го уровня есть и встроенная на микропроцессорную плату кэш-память 2-го уровня (L2) емкостью от 128 Кбайт до 2048 Кбайт. Эта встроенная кэш-память работает либо на полной тактовой частоте МП, либо на его половинной тактовой частоте.

Следует иметь в виду, что для всех МП может использоваться дополнительная кэш-память 2-го (L2) или 3-го (L3) уровня, размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких мегабайтов (кэш на MB относится к уровню 3, если МП, установленный на этой плате, имеет кэш 2-го уровня). Время обращения к кэш-памяти зависит от тактовой частоты, на кото­рой кэш работает, и составляет обычно 1-2 такта. Так, для кэш-памяти L1 МП Pentium характерно время обращения 2-5 не, для кэш-памяти L2 и L3 это время доходит до 10 не. Пропускная способность кэш-памяти зависит и от времени об­ращения, и от пропускной способности интерфейса и лежит в широких пределах от 300 до 3000 Мбайт/с.

Использование кэш-памяти существенно увеличивает производительность сис­темы. Чем больше размер кэш-памяти, тем выше быстродействие, но эта зависи­мость нелинейная. Имеет место постепенное уменьшение скорости роста общей производительности компьютера с ростом размера кэга-памяти. Для современ-

Основная память

ных ПК рост производительности, как правило, практически прекращается по­сле 1 Мбайт кэш-памяти L2. Создается кэш-память на основе микросхем стати­ческой памяти.

ПРИМЕЧАНИЕ ----------------------------------------------------------------------------------------------------

В современных ПК часто применяется и кэш-память между внешними запоминаю­щими устройствами на дисках и оперативной памятью, обычно относящаяся к 3-му уровню, реже, если есть кэш L3 на системной плате, к 4-му уровню. Кэш-память для ВЗУ создается либо в поле оперативной памяти, либо непосредственно в модуле самого ВЗУ.

Основная память

При рассмотрении структуры основной памяти можно говорить как о физиче­ской структуре, то есть об основных ее конструктивных компонентах, так и о ло­гической структуре, то есть о ее различных областях, условно выделенных для организации более удобных режимов их использования и обслуживания.

Физическая структура основной памяти

Упрощенная структурная схема модуля основной памяти при матричной его ор­ганизации представлена на рис. 6.1.

При матричной организации адрес ячейки, поступающий в регистр адреса, на­пример по 20-разрядным кодовым шинам адреса, делится на две 10-разрядные части, поступающие соответственно в Рег. адр. X и Рег. адр. Y. Из этих регистров коды полуадресов поступают в дешифраторы дешифратор X и дешифратор Y, каждый из которых в соответствии с полученным адресом выбирает одну из 1024 шин. По выбранным шинам подаются сигналы записи-считывания в ячейку памяти, находящуюся на пересечении этих шин. Таким образом адресуется 10⁶ (точнее 1024²) ячеек.

Считываемая или записываемая информация поступает в регистр данных (Рег. данных), непосредственно связанный с кодовыми шинами данных. Управляю­щие сигналы, определяющие, какую операцию следует выполнить, поступают по кодовым шинам инструкций. Куб памяти содержит набор запоминающих эле­ментов — собственно ячеек памяти.

Основная память(ОП) содержит оперативное (RAM— Random Access Memory) и постоянное (ROM— Read Only Memory) запоминающие устройства.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)предназначено для хранения ин­формации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислитель­ном процессе в текущий интервал времени. ОЗУ — энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется. Ос­нову ОЗУ составляют микросхемы динамической памяти DRAM. Это большие интегральные схемы, содержащие матрицы полупроводниковых запоминающих элементов — полупроводниковых конденсаторов. Наличие заряда в конденсато­ре обычно означает «1», отсутствие заряда — «0». Конструктивно элементы one-

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

ративной памяти выполняются в виде отдельных модулей памяти — небольших плат с напаянными на них одной или, чаще, несколькими микросхемами. Эти модули вставляются в разъемы — слоты на системной плате. На материнской плате может быть несколько групп разъемов — банков — для установки модулей памяти; в один банк можно ставить лишь блоки одинаковой емкости, например, только по 16 Мбайт или только по 64 Мбайт; блоки разной емкости можно уста­навливать только в разных банках.

Рис.6.1. Структурная схема модуля основной памяти

Модули памяти характеризуются конструктивом, емкостью, временем обраще­ния и надежностью работы. Важным параметром модуля памяти является его надежность и устойчивость к возможным сбоям. Надежность работы современ­ных модулей памяти весьма высокая — среднее время наработки на отказ состав­ляет сотни тысяч часов, но тем не менее предпринимаются и дополнительные

Основная память

меры повышения надежности. Вопросы обеспечения надежности и достоверно­сти ввиду их важности специально рассмотрены в части VI учебника. Здесь лишь укажем, что одним из направлений, повышающих надежность функциониро­вания подсистемы памяти, является использование специальных схем контроля и избыточного кодирования информации.

Модули памяти бывают с контролем четности (parity) и без контроля четности (поп parity) хранимых битов данных. Контроль по четности позволяет лишь об­наружить ошибку и прервать исполнение выполняемой программы. Существуют и более дорогие модули памяти с автоматической коррекцией ошибок — ЕСС-память, использующие специальные корректирующие коды с исправлением ошибок (см. раздел «Обеспечение достоверности информации» главы 20).

ПРИМЕЧАНИЕ-----------------------------------------------------------------------------------------------------

Некоторые недобросовестные фирмы (китайские, например), с целью повышения конкурентоспособности своих изделий в глазах неопытных покупателей, ставят в модули памяти специальный имитатор четности — микросхему-сумматор, вы­дающую при считывании ячейки всегда правильный бит четности. В этом случае никакого контроля нет, а лишь имитируется его выполнение. Надо сказать, что эта имитация иногда и полезна, так как существуют системные платы, требующие для своей корректной работы присутствия бита контроля четности.

Существуют следующие типы модулей оперативной памяти:

□ DIP;

□ SIP;

□ SIPP;

□ SIMM;

□ DIMM;

□ RIMM. Рассмотрим их подробнее.

DIP, SIP и SIPP

DIP(Dual In-line Package — корпус с двухрядным расположением выводов) — одиночная микросхема памяти, сейчас используется только в составе более укрупненных модулей (в составе модулей SIMM, например). SIP(Single In-line Package — корпус с однорядным расположением выводов) — микросхема с од­ним рядом выводов, устанавливаемая вертикально. SIPP(Single In-line Pinned Package — корпус с однорядным расположением проволочных выводов) — 30-контактный (штырьковый) модуль. Модули SIP и SIPP сейчас практически не применяются.

SIMM

SIMM(Single In-line Memory Module) представляет собой печатную плату с од­носторонним краевым разъемом типа слот и установленными на ней совмести­мыми микросхемами памяти типа DIP. Микросхемы SIMM бывают двух разных

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

типов: короткие на 30 контактов (длина 75 мм) и длинные на 72 контакта (длина 100 мм). Модули SIMM имеют емкость 256 Кбайт, 1, 4, 8, 16, 32 и 64 Мбайт. Мо­дули SIMM выпускаются с контролем и без контроля по четности и с эмуляцией контроля по четности. Память SIMM отличается также низким быстродейст­вием — обычно она имеет время обращения 60 и 70 не. Сейчас такое время обра­щения считается нежелательным, поэтому модули SIMM встречаются только в устаревших ПК.

DIMM

DIMM(Dual In-line Memory Module) — более современные модули, имеющие 168-контактные разъемы (длина модуля 130 мм); могут устанавливаться только на те типы системных плат, которые имеют соответствующие разъемы. Появле­ние DIMM стимулировалось выпуском процессоров Pentium, имеющих 64-бито­вую шину данных. Необходимое число модулей памяти для заполнения шины называется банком памяти. В случае 64-разрядной шины для этого требуется два 32-битовых 72-контактных модуля SIMM или один 64-битовый модуль DIMM, имеющий 168 контактов. Модуль DIMM может иметь разрядность 64 бита (без контроля четности), 72 бита (с контролем четности) и 80 битов (память ЕСС). Емкость модулей DIMM: 16, 32, 64,128, 256 и 512 Мбайт. Время обращения, харак­терное для современных модулей DIMM, работающих на частоте 100 и 133 МГц (модули PC 100, PC 133), лежит в пределах 6-10 не.

RIMM

RIMM(Rambus In-line Memory Module) — новейший тип оперативной памяти. Появление технологии Direct Rambus DRAM потребовало нового конструктив­ного исполнения для модулей памяти. Микросхемы Direct RDRAM собираются в модули RIMM, внешне подобные стандартным DIMM, что, кстати, и нашло отра­жение в названии модулей нового конструктива. На плате модуля RIMM может быть до 16 микросхем памяти Direct RDRAM, установленных по восемь штук с каждой стороны платы. Модули RIMM могут быть использованы на системных платах с форм-фактором ATX, BIOS и чипсеты которых согласованы с данным типом памяти. Среди микросхем фирмы Intel это чипсеты i820, i840, 1850 и их модификации. На системной плате предусматривается до четырех разъемов под данные модули. Необходимо отметить, что модули RIMM требуют интенсивно­го охлаждения. Это связано со значительным энергопотреблением и, соответст­венно, тепловыделением, что обусловлено высоким быстродействием данных модулей памяти (время обращения 5 не и ниже). Хотя внешне модули RIMM напоминают модули DIMM, они имеют меньшее число контактов и с обеих сторон закрыты специальными металлическими экранами, которые защищают модули RIMM, работающие на больших частотах, экранируя их чувствительные элек­тронные схемы от внешних электромагнитных наводок. В настоящее время спе­цификации определяют три типа модулей, различающихся рабочими частотами и пропускной способностью. Обозначаются они как RIMM PC800, RIMM PC700, RIMM PC600. Наиболее быстродействующими являются модули RIMM PC800, работающие с чипсетом i850 на внешней тактовой частоте 400 МГц и имеющие

Основная память

пропускную способность 1,6 Гбайт/с. Модули RIMM PC600 и RIMM PC700 предназначены для работы на повышенных частотах шины памяти, например на частоте 133 МГц, поддерживаемой современными чипсетами.

Типы оперативной памяти

Различают следующие типы оперативной памяти:

□ FPM DRAM;

□ RAM EDO;

□ BEDODRAM;

□ SDRAM;

□ DDR SDRAM;

□ DRDRAM и т. д.

FPM DRAM

FPM DRAM(Fast Page Mode DRAM) — динамическая память с быстрым стра­ничным доступом, активно используется с микропроцессорами 80386 и 80486. Память со страничным доступом отличается от обычной динамической памяти тем, что после выбора строки матрицы и удержании RAS допускает многократную установку адреса столбца, стробируемого CAS. Это позволяет ускорить блочные передачи, когда весь блок данных или его часть находятся внутри одной строки матрицы, называемой в этой системе страницей. Существуют две разновидности FPM DRAM, различающиеся временем обращения: 60 и 70 не. Ввиду своей мед­лительности они не эффективны в системах с процессорами уровня Pentium II. Модули FPM DRAM в основном выпускались в конструктиве SIMM.

RAM EDO

RAM EDO(EDO — Extended Data Out, расширенное время удержания (доступ­ности) данных на выходе) фактически представляет собой обычные микросхемы FPM, к которым добавлен набор регистров-«защелок», благодаря чему данные на выходе могут удерживаться в течение следующего запроса к микросхеме. При страничном обмене такие микросхемы работают в режиме простого конвейера: удерживают на выходе содержимое последней выбранной ячейки, в то время как на их входы уже подается адрес следующей выбираемой ячейки. Это позволяет примерно на 15% по сравнению с FPM ускорить процесс считывания последова­тельных массивов данных. При случайной адресации такая память никакого вы­игрыша в быстродействии не дает. Память типа RAM EDO имеет минимальное время обращения 45 не и максимальную скорость передачи данных по каналу процессор-память 264 Мбайт/с. Модули RAM EDO выпускались в конструкти­вах SIMM и DIMM.

BEDO DRAM

BEDO DRAM(Burst Extended Data Output, EDO с блочным доступом). Совре­менные процессоры благодаря внутреннему и внешнему кэшированию команд

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

и данных обмениваются с основной памятью преимущественно блоками слов максимальной длины. Этот вид памяти позволяет обрабатывать данные пакетно (блоками) так, что данные считываются блоками за один такт. В случае памяти BEDO отпадает необходимость постоянной подачи последовательных адресов на входы микросхем с соблюдением необходимых временных задержек — доста­точно стробировать переход к очередному слову блока. Этот метод позволяет BEDO DRAM работать очень быстро. Память BEDO DRAM поддерживают некоторые чипсеты фирм VIA Apollo (580VP, 590VP, 680VP) и Intel (i480TX и т. д.) на частоте шины не выше 66 МГц. Активную конкуренцию этому виду памяти составляет память SDRAM, которая постепенно ее и вытесняет. BEDO DRAM представлена модулями и SIMM и DIMM.

SDRAM

SDRAM(Synchronous DRAM — синхронная динамическая память), память с син­хронным доступом, увеличивает производительность системы за счет синхрони­зации скорости работы ОЗУ со скоростью работы шины процессора. SDRAM также осуществляет конвейерную обработку информации, выполняя внутрен­нее разделение массива памяти на два независимых банка, что позволяет со­вмещать выборку из одного банка с установкой адреса в другом банке. SDRAM также поддерживает блочный обмен. Основная выгода от использования SDRAM состоит в поддержке последовательного доступа в синхронном режиме, где удается исключить дополнительные такты ожидания. Память SDRAM может устойчиво функционировать На высоких частотах: выпускаются модули, рассчитанные на работу при частотах 100 МГц (спецификация РС100) и 133 МГц (РС133). В на­чале 2000 года фирма Samsung объявила о выпуске новых интегральных микро­схем (ИС) SDRAM с рабочей частотой 266 МГц. Время обращения к данным в этой памяти зависит от внутренней тактовой частоты МП и достигает 5-10 не, максимальная скорость передачи данных «процессор-память» при частоте шины 100 МГц составляет 800 Мбайт/с (фактически равна скорости передачи данных по каналу процессор-кэш). Память SDRAM дает общее увеличение производи­тельности ПК примерно на 25%. Правда, эта цифра относится к работе ПК без кэш-памяти, — при наличии мощной кэш-памяти выигрыш в производительно­сти может составить всего несколько процентов. SDRAM обычно выпускается в 168-контактных модулях типа DIMM и имеет 64-разрядную шину данных. Используется не только в качестве оперативной памяти, но и как память видео­адаптеров, где она полезна при просмотре живого видео и при работе с трехмер­ной графикой.

DDR SDRAM

DDR SDRAM(Double Data Rate SDRAM - SDRAM II). Вариант памяти SDRAM, осуществляющий передачу информации по обоим фронтам тактового сигнала. Это позволяет удвоить пропускную способность по сравнению с тради­ционной памятью SDRAM (до 1,6 Гбайт/с при частоте шины 100 МГц). Кро­ме того, DDR SDRAM может работать на более высокой частоте — в начале 2000 года были выпущены 143, 166 и 183 МГц 64-мегабитовые модули DDR

Основная память

SDRAM. Модули DDR DRAM конструктивно совместимы с традиционными 168-контактными DIMM. Используются не только в качестве элементов опера­тивной памяти, но и в высокопроизводительных видеоадаптерах. Сейчас они ориентированы в первую очередь на рынок видеоадаптеров. В конце 2001 года компания Hynix Semiconductor представила образец 128 Мбит DDR SDRAM (0,16 мкм). Его тактовая частота 375 МГц — самая высокая частота для DDR SDRAM на сегодняшний день (2003 год).

DRDRAM

DRDRAM (Direct Rambus DRAM — динамическая память с прямой шиной для RAM) — перспективный тип оперативной памяти, позволивший значительно увеличить производительность компьютеров. Высокое быстродействие памяти Direct RDRAM достигается рядом особенностей, не встречающихся в других типах. В частности, применением собственной двухбайтовой шины Rambus с частотой 800 МГц, обеспечивающей пиковую пропускную способность до 1,6 Гбайт/с. Контроллер памяти Direct RDRAM управляет шиной Rambus и обеспечивает преобразование ее протокола с частотой 800 МГц в стандартный 64-разрядный интерфейс с частотой шины до 200 МГц. Фирма Intel выпустила чипсеты i820, i840, i850 с поддержкой DRDRAM. Модули Direct RDRAM — RIMM внешне подобны модулям DIMM.

В маркировке SDRAM и DRDRAM (часто именуемой также как RDRAM) обыч­но указывается рабочая частота модуля в виде, например, обозначения PC 150, что для SDRAM означает пиковую пропускную способность 1200 Мбайт/с — та­кую же, как у РС600 для DRDRAM (ввиду малоразрядности шины последней). Правда, многие чипсеты (например i850) поддерживают двухканальный обмен с памятью DRDRAM, что удваивает ее пропускную способность.

Для DDRDRAM указание РС150 подразумевало бы пропускную способность 2400 Мбайт/с — в 2 раза большую, чем для SDRAM (ввиду передачи информации по двум фронтам импульса). Но для DDR принято в маркировке около букв PC указывать не рабочую частоту, а саму пропускную способность. То есть марки­ровка РС2400 для DDRDRAM означает DDR-память с рабочей частотой 150 МГц (возможное обозначение такой памяти, как DDR150).

Увеличение разрядности и частоты шины Rambus, обещанное в ближайшие годы, делает память DRDRAM, несмотря на ее высокую стоимость, весьма перспектив­ной. Так, компания Samsung наметила в конце 2003 года выпустить 64-бито­вую память (с четырьмя 16-битовыми каналами), имеющую пропускную способ­ность 8500 Мбайт/с (PC 1066) и 9600 Мбайт/с (PC 1200). Ближайшие перспек­тивы DDRDRAM ненамного скромнее: фирма Hynix Semiconducta анонсировала 512-мегабитовые чипы DDR, изготовленные по 0,10 мкм-технологии с рабочими частотами 266, 333 и 400 МГц (скорость обмена до 6400 Мбайт/с).

Характеристики отдельных видов памяти представлены в табл. 6.2.

В конце 2002 года появилось сообщение о создании компаниями Toshiba и In­fineon Technologies AG новой ферроэлектрической микросхемы энергонезависи­мой памяти (FeRAM — Ferroelectric Random Access non-volatile Memory) ем­костью 32 Мбит, по пропускной способности сравнимой с SDRAM.

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

Таблица 6.2.Характеристики некоторых типов памяти

Компании IBM и Infineon Technologies разработали технологию магнитной опе­ративной памяти с произвольной выборкой (MRAM). Работает MRAM анало­гично флэш-памяти (Flash) и является энергонезависимой. IBM сообщила, что MRAM сможет заменить существующие разновидности DRAM уже к 2005 году. Компьютер с MRAM будет загружаться практически мгновенно.

ПРИМЕЧАНИЕ------------------------------------------------------------------------------------------------------

Развитие технологии хранения информации наглядно свидетельствует о движении технического прогресса по спирали, на следующем витке спирали используются старые принципы, реализованные на более прогрессивной технологии. Действитель­но, первые ОЗУ строились на базе электромагнитных линий задержки (динамиче­ские ОЗУ), затем на базе магнитных тороидальных сердечников и пленок (МОЗУ), далее снова на динамических элементах (CMOS-транзисторах, DIMM) и грядет MRAM (опять МОЗУ)!

Постоянные запоминающие устройства

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУили ROM— Read Only Memory, па­мять только для чтения) также строится на основе установленных на материн­ской плате модулей (кассет) и используется для хранения неизменяемой инфор­мации: загрузочных программ операционной системы, программ тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS) и т. д.

К ПЗУ принято относить энергонезависимые постоянные и «полупостоянные» запоминающие устройства, из которых оперативно можно только считывать

Основная память

информацию, запись информации в ПЗУ выполняется вне ПК в лабораторных условиях или при наличии специального программатора — в компьютере. По технологии записи информации можно выделить ПЗУ следующих типов:

□ микросхемы, программируемые только при изготовлении — классические или масочные ПЗУ или ROM;

□ микросхемы, программируемые однократно в лабораторных условиях — про­граммируемые ПЗУ (ППЗУ) или programmable ROM (PROM);

□ микросхемы, программируемые многократно — перепрограммируемые ПЗУ или erasable PROM (EPROM). Среди них следует отметить электрически пере­программируемые микросхемы EEPROM (Electrical Erasable PROM), в том числе флэш-память.

Устанавливаемые на системной плате ПК модули и кассеты ПЗУ имеют емкость, как правило, не превышающую 128 Кбайт. Быстродействие у постоянной памяти меньшее, чем у оперативной, поэтому для повышения производительности со­держимое ПЗУ копируется в ОЗУ, и при работе непосредственно используется только эта копия, называемая также теневой памятью ПЗУ (Shadow ROM).

В настоящее время в ПК используются «полупостоянные», перепрограммируемые запоминающие устройства — флэш-память. Модули, или карты, флэш-памяти могут устанавливаться прямо в разъемы материнской платы и имеют следующие параметры: емкость до 512 Мбайт (в ПЗУ BIOS используются до 128 Кбайт), время обращения по считыванию 0,035-0,2 мкс, время записи одного байта 2-10 мкс. Флэш-память — энергонезависимое запоминающее устройство. Приме­ром такой памяти может служить память NVRAM — Non Volatile RAM со ско­ростью записи 500 Кбайт/с. Обычно для перезаписи информации необходимо подать на специальный вход флэш-памяти напряжение программирования (12 В), что исключает возможность случайного стирания информации. Перепрограмми­рование флэш-памяти может выполняться непосредственно с гибкого диска или с клавиатуры ПК при наличии специального контроллера, либо с внешнего про­грамматора, подключаемого к ПК. Флэш-память бывает весьма полезной как для создания весьма быстродействующих, компактных, альтернативных НМД запо­минающих устройств — «твердотельных дисков», так и для замены ПЗУ, храня­щего программы BIOS, позволяя прямо с «дискеты» обновлять и заменять эти программы на более новые версии при модернизации ПК.

Логическая структура основной памяти

Структурно основная память состоит из миллионов отдельных однобайтовых ячеек памяти. Общая емкость основной памяти современных ПК обычно лежит в пределах от 16 Мбайт до 512 Мбайт. Емкость ОЗУ на один-два порядка превы­шает емкость ПЗУ: ПЗУ занимает 128 Кбайт, остальной объем — это ОЗУ. Каж­дая ячейка памяти имеет свой уникальный адрес. Для ОЗУ и ПЗУ отводится единое адресное пространство.

Адресное пространствоопределяет максимально возможное количество непо­средственно адресуемых ячеек основной памяти. Адресное пространство зависит

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

от разрядности адресных шин, поскольку максимальное количество адресов опре­деляется разнообразием двоичных чисел, которые можно отобразить в п разря­дах, то есть адресное пространство равно 2", где п — разрядность адреса. За осно­ву в ПК взят 16-разрядный адресный код, равный по длине размеру машинного слова. При помощи 16-разрядного представления адреса можно непосредственно адресовать всего 2¹⁶ = 65 536 = 64 Кбайт ячеек памяти. Это 64-килобайтовое поле памяти, так называемый сегмент, также является базовым в логической структу­ре ОП. Следует заметить, что в защищенном режиме размер сегмента может быть иным и значительно превышать 64 Кбайт.

Современные ПК (кроме простейших бытовых компьютеров) имеют основную память, емкостью существенно больше 1 Мбайт. Но память до 1 Мбайт является еще одним важным структурным компонентом ОП — назовем ее непосредствен­но адресуемой памятью (справедливо полностью только для реального режима). Для адресации 1 Мбайт = 2²⁰ = 1 048 576 ячеек непосредственно адресуемой па­мяти необходим 20-разрядный код, получаемый в ПК при помощи специальной структуризации адресов ячеек ОП.

Абсолютный (полный, физический) адрес (А_й(к) формируется в виде суммы не­скольких составляющих, чаще всего используемыми из которых являются: адрес сегмента и адрес смещения.

Адрес сегмента (Л_сегм) — это начальный адрес 64-килобайтового поля, внутри ко­торого находится адресуемая ячейка.

Адрес смещения (Л_см) — это относительный 16-разрядный адрес ячейки внутри сегмента.

Л_сегм должен быть 20-разрядным, но если принять условие, что Л_ссгм должен быть обязательно кратным параграфу (в последних четырех разрядах должен со­держать нули), то однозначно определять этот адрес можно 16-разрядным ко­дом, «увеличенным» в 16 раз, что равносильно дополнению исходного кода спра­ва 4 нулями и превращению его, таким образом, в 20-разрядный код. То есть условно можно записать:

^абс = 16 X Л_сегы + А_си.

Для удобства программирования и оптимизации ряда операций микропроцессо­ры ПК поддерживают еще две составляющие смещения: адрес базы и адрес индек­са. Следует отметить, что процессор ПК может обращаться к основной памяти, используя только абсолютный адрес, в то время как программист может исполь­зовать все составляющие адреса, рассмотренные выше.

В современных ПК существует режим виртуальной адресации (virtual — мнимый, кажущийся, воображаемый). Виртуальная адресация применяется для увеличе­ния адресного пространства ПК при наличии ОП большой емкости (простая виртуальная адресация) или при организации виртуальной памяти, в кото­рую наряду с ОП включается и часть внешней (обычно дисковой) памяти. При виртуальной адресации вместо начального адреса сегмента Л_сегм в формировании абсолютного адреса А_а(к принимает участие многоразрядный адресный код, счи­тываемый из специальных таблиц. Принцип простой виртуальной адресации

Основная память

можно пояснить следующим образом. В регистре сегмента содержится не А, а некий селектор, имеющий структуру:

ИНДЕКС IF СЛ

где СЛ — вспомогательная служебная информация; F — идентификатор, опреде­ляющий тип таблицы дескрипторов для формирования А_сеп1 (таблицы дескрип­торов создаются в ОП при виртуальной адресации автоматически):

О если F= О, то используется глобальная таблица дескрипторов (GDT ), общая для всех задач, решаемых в ПК в многозадачном режиме;

□ если F= 1, то используется локальная таблица дескрипторов (LDT), создавае­мая для каждой задачи отдельно.

В соответствии с индексом и идентификатором из GLT или LDT извлекается 64-битовая строка, содержащая, в частности, и адрес сегмента. Разрядность этого адреса зависит от размера адресного пространства микропроцессора, точнее рав­на разрядности его адресной шины. Подобная виртуальная адресация использу­ется в защищенном режиме работы микропроцессора. Для большей плотности размещения информации в оперативной памяти (уменьшения сегментированности, характерной для многозадачного режима) часто практикуется сегментно-странич-ная адресация, при которой поля памяти выделяются программам внутри сегмен­тов страницами размером от 2 до 4 Кбайт. Формирование сегментно-страничной структуры адресов выполняется автоматически операционной системой.

Виртуальная память создается при недостаточном объеме оперативной памяти, не позволяющем разместить в ней сразу всю необходимую информацию для вы­полняемого задания. При загрузке очередной задачи в оперативную память не­обходимо выполнить распределение машинных ресурсов, в частности оператив­ной памяти, между компонентами одновременно решаемых задач (в принципе, оперативной памяти может не хватить и для решения одной сложной задачи). При подготовке программ в их код заносятся условные адреса, которые должны быть затем привязаны к конкретному месту в памяти. Распределение памяти мо­жет выполняться или в статическом режиме до загрузки программы в ОП, или в динамическом режиме автоматически в момент загрузки программы или в про­цессе ее выполнения. Статическое распределение памяти весьма трудоемко, поэтому применяется редко. Если очевидно, что реальная память меньше тре­буемого программой адресного пространства, программист может вручную раз­бить программу на части, вызываемые в ОП по мере необходимости — создать оверлейную структуру программы. Обычно же используется режим динамиче­ского распределения памяти.

При динамическом распределении памяти в случае недостаточной емкости ОП полезно воспользоваться виртуальной памятью. В режиме виртуальной памяти пользователь имеет дело не с физической ОП, действительно имеющейся в ПК, а с виртуальной одноуровневой памятью, емкость которой равна всему адресно­му пространству микропроцессора. На всех этапах подготовки программы, вклю­чая ее загрузку в оперативную память, в программе используются виртуальные адреса, и лишь при непосредственном исполнении машинной команды выполня­ется преобразование виртуальных адресов в реальные физические адреса ОП.

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

При этом реально программа может размещаться частично в ОП, частично во внешней памяти на жестком диске.

Технология организации виртуальной памяти следующая. Физические оператив­ная и дисковая (привлеченная к задаче) память и виртуальная память разбиваются на страницы одинакового размера по 4 Кбайт. Страницам виртуальной и физи­ческой памяти присваиваются номера, которые сохраняются одними и теми же на весь период решения задачи. Операционная система формирует две таблицы:

□ страниц виртуальной памяти,

□ физического размещения страниц,

и устанавливает логические связи между ними (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Таблица страниц

На рис. 6.2 видно, что физические страницы могут находиться в текущий момент времени как в оперативной, так и во внешней памяти. Из внешней памяти вир­туальные страницы автоматически перемещаются в оперативную только тогда, когда к ним происходит обращение. При этом они замещают уже отработавшие страницы. Страничные таблицы для каждой программы формируются операци­онной системой в процессе распределения памяти и изменяются каждый раз, когда физические страницы перемещаются из ВЗУ в ОП. Виртуальная память может иметь и сегментно-страничную организацию. В этом случае виртуальная память делится сначала на сегменты, а внутри них на страницы. Принцип орга­низации такой памяти аналогичен рассмотренному выше.

Основная память

Для ПК характерно стандартное распределение непосредственно адресуемой па­мяти между ОЗУ и ПЗУ (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Непосредственно адресуемая память

Основная память в соответствии с методами обращения и адресации делится на отдельные, иногда частично или полностью перекрывающие друг друга области, имеющие общепринятые названия. В частности, обобщенно логическая структу­ра основной памяти ПК общей емкостью 64 Мбайт представлена на рис. 6.4.

I

Рис. 6.4. Логическая структура основной памяти

Прежде всего, основная память компьютера делится на две логические облас­ти: непосредственно адресуемую память, занимающую первые 1024 Кбайт ячеек с адресами от 0 до 1024 Кбайт - 1, и расширенную память, доступ к ячейкам ко­торой возможен при использовании специальных программ-драйверов или в за­щищенном режиме работы микропроцессора.

Драйвер — специальная программа, управляющая работой памяти или внешни­ми устройствами компьютера и организующая обмен информацией между МП, ОП и внешними устройствами компьютера.

Стандартной памятью (СМА — Conventional Memory Area) называется непо­средственно адресуемая память в диапазоне от 0 ,цо 640 Кбайт.

Непосредственно адресуемая память в диапазоне адресов от 640 Кбайт до 1024 Кбайт называется верхней памятью (UMA — Upper Memory Area или UMB — Upper Memory Blocks). Верхняя память зарезервирована для служебной памяти (ранее называлась видеопамятью дисплея) и постоянного запоминающего устройства. В служебной памяти формируются участки-«окна», используемые при помощи драйверов в качестве оперативной памяти общего назначения.

Расширенная память — память с адресами 1024 Кбайт и выше. В реальном режи­ме имеются два основных способа доступа к этой памяти:

□ по спецификации XMS (память ХМА — extended Memory Area);

□ по спецификации EMS (память ЕМА — Expanded Memory Area).

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

Доступ к расширенной памяти согласно спецификации XMS(extended Me­mory Specification) организуется при помощи специального драйвера (например, ХММ — eXtended Memory Manager) путем пересылки по мере необходимости отдельных полей ХМА в свободные области верхней памяти (UMA). Эту память иногда называют дополнительной.

Спецификация EMS(Expanded Memory Specification) является более ранней. Согласно этой спецификации доступ реализуется не путем пересылки, а лишь путем отображения по мере необходимости отдельных полей Expanded Memory в свободные области верхней памяти. Отображение организуется путем динами­ческого замещения адресов полей ЕМА в «окнах» UMA размером 64 Кбайт, раз­битых на 16-килобайтовые страницы. В окне UMA хранится не обрабатывае­мая информация, а лишь адреса, обеспечивающие доступ к этой информации. Память, организуемая по спецификации EMS, носит название отображаемой. Поэтому сочетание слов Expanded Memory (EM) иногда переводят как отобра­жаемая память (хотя термин Expanded почти идентичен термину Extended и бо­лее точно переводится как расширенный, увеличенный). Для организации отобра­жаемой памяти при работе в реальном режиме процессора необходим драйвер ЕММ.ЕХЕ (Expanded Memory Manager). Отображаемая память медленная и по­этому она постепенно уступает место Extended Memory.

В реальном режиме расширенная память может быть использована главным образом для хранения данных и некоторых программ ОС. Часто расширенную память используют для организации виртуальных (электронных) дисков. Ис­ключение составляет НМА,которая может адресоваться и непосредственно при использовании драйвера HIMEM.SYS (High Memory Manager). Область НМА может использоваться для хранения любой информации, в том числе и про­грамм пользователя. Возможность непосредственной адресации высокой памяти обусловлена особенностью сегментной адресации ячеек ОП, поскольку в этой концепции максимально возможный адрес ячейки памяти с непосредственной адресацией формируется из максимально возможного адреса сегмента FFFFF, то есть 1024² - 1 — верхняя граница непосредственно адресуемой верхней памяти, плюс максимально возможный адрес смещения в этом сегменте FFFF — получа­ем верхнюю границу непосредственно адресуемой высокой памяти.

Внешние запоминающие устройства

Устройства внешней памяти, или, иначе, внешние запоминающие устройства (ВЗУ), весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду при­знаков: по виду носителя, по типу конструкции, по принципу записи и считыва­ния информации, по методу доступа и т. д. При этом под носителем понимается материальный объект, способный хранить информацию.

Один из возможных вариантов классификации ВЗУ приведен на рис. 6.5.

В зависимости от типа носителя все ВЗУ можно подразделить на накопители на магнитной ленте и дисковые накопители.

Накопители на магнитной ленте, в свою очередь, бывают двух видов: накопители на бобинной ленте и накопители на кассетной ленте (стримеры). В ПК исполь­зуются только стримеры. Накопители на дисках более разнообразны (табл. 6.3):

Внешние запоминающие устройства

□ накопители на гибких магнитных дисках (НГМД)— накопители на флоппи-дисках или дискетах;

□ накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД)— винчестеры;

□ накопители на сменных жестких магнитных дисках, использующие эффект Бернулли;

□ накопители на флоптических дисках — floptical-накопители;

□ накопители сверхвысокой плотности записи (Very High Density) — VHD-на-копители;

□ накопители на оптических компакт-дисках (Compact Disk ROM) — CD-ROM;

□ накопители на оптических дисках с однократной записью и многократным чтением (Continuous Composite Write Once, Read Many;) — CC WORM;

□ накопители на магнитооптических дисках — НМОД;

□ накопители на цифровых видеодисках (Digital Versatile Disk) — DVDи др.

Рис.6.5. Классификация ВЗУ Таблица 6.3.Сравнительные характеристики дисковых накопителей¹

¹ Время доступа — средний временной интервал, в течение которого накопитель находит тре­буемые данные. Трансфер — скорость передачи данных при последовательном чтении.

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

Магнитные диски (МД) относятся к магнитным машинным носителям информа­ции. В качестве запоминающей среды у них используются магнитные материалы со специальным свойством (прямоугольная петля гистерезиса), позволяющим фиксировать два направления намагниченности, которым ставятся в соответст­вие двоичные цифры: 0 и 1. На рис. 6.6 показана логическая структура МД.

Накопители на МД (НМД) являются наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами в ПК. Они бывают жесткими и гибкими, сменными и встроенными в ПК. Все диски, и магнитные, и оптические, характеризуются своим диаметром, или, иначе, форм-фактором. Наибольшее распространение полу­чили диски с форм-факторами 3,5 дюйма (89 мм). Но существуют диски и с форм-факторами 5,25 дюйма (133 мм), 2,5 дюйма (64 мм), 1,8 дюйма (45 мм) и другие.

Рис. 6.6. Логическая структура магнитного диска

Информация на магнитные диски (МД) записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей — дорожек (треков). Количество дорожек на МД и их информационная емкость зависят от типа МД, конструкции накопителя на МД, качества магнитных головок и магнитного покрытия. Совокуп­ность дорожек МД, находящихся на разных пластинах-дисках и на одинаковом расстоянии от его центра, называется цилиндром. При записи и чтении информации МД вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой под­водит ее к дорожке, выбранной для записи или чтения информации. Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом.

Кроме основной своей характеристики — информационной емкости — дисковые накопители характеризуются и двумя другими показателями:

□ временем доступа;

□ скоростью считывания последовательно расположенных байтов.

Время доступа (access time) к информации на диске, то есть время, которое дис­ковод тратит до начала чтения-записи данных, складывается из нескольких со­ставляющих:

□ времени перемещения магнитной головки на нужную дорожку (seek time);

□ времени установки головки и затухания ее колебаний (setting time);

Внешние запоминающие устройства

□ времени ожидания вращения (rotation latency) — ожидания момента, когда
из-за вращения диска нужный сектор окажется под головкой.

Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. По­нятие прямой доступ применительно к диску означает, что ПК может «обратить­ся» к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где бы ни находилась головка чтения-записи накопителя. После доступа к информации происходит ее последовательное считывание — хорошие дисководы обеспечивают скорость считывания (transfer rate) 2 Мбайт/с и выше.

Рассматривая организацию данных на внешних носителях, следует различать физическую и логическую организацию. Физическая организация определяет пра­вила размещения данных на внешних носителях, логическая — описывает взаим­ные связи между данными и способы доступа к ним. Поскольку при работе на компьютере пользователь практически взаимодействует только с файлами, необ­ходимо подробнее познакомиться с организацией файловой системы.

Файлы, их виды и организация

Файлом называется именованная совокупность данных на внешнем носителе ин­формации. В ПК понятие файла применяется в основном к данным, хранящимся на дисках (реже на кассетной магнитной ленте), и поэтому файлы обычно отожде­ствляют с участком (областью, полем) памяти на этих носителях информации.

Поэтому возможно такое определение: файл — именованная область внешней памяти, выделенная для хранения массива данных. Данные, содержащиеся в фай­лах, имеют самый разнообразный характер — программы на алгоритмическом или машинном языке; исходные данные для работы программ или результаты вы­полнения программ; произвольные тексты; графические изображения и т. п. По­нятие файла в операционной системе (ОС) обобщается на внешние устройства и блоки компьютера (логические устройства), работающие с массивами данных: принтер, клавиатуру, дисплей, оперативную память (виртуальные диски) и т. д.

Файловой системой (ФС) называется совокупность программ, обеспечивающая выполнение операций над файлами. В настоящее время в ОС для ПК использу­ются десятки файловых систем: в DOS — FAT16, FAT32 и FAT12 для гибких дисков (FAT — File Allocation Table, таблица размещения файлов), для Windows 9x характерны FAT 16 и FAT32, популярной в Windows NT и Windows 2000 являет­ся NTFS, для OS/2 — HPFS, для ОС — Ext2FS и т. д. Наибольшее распростране­ние получили файловые системы DOS: FAT16 и FAT32. Некоторые их особен­ности и различия будут рассмотрены ниже.

В общем случае при программировании работы с файлами необходимо произ­водить:

□ задание и указание области ОЗУ для ввода-вывода информации файла;

□ чтение информации (считывания записей) из файла;

□ запись информации (включение записей) в файл;

□ создание файла (присвоение файлу имени, проверку уникальности этого име­ни файла, формирование атрибутов и т. д.);

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

□ изменение атрибутов файла;

□ открытие файла (отыскание файла на диске и перенос в ОЗУ атрибутов файла);

□ закрытие файла (сохранение на диске атрибутов файла для дальнейшего ис­пользования);

U переименование файла;

□ удаление файла.

При доступе по идентификатору ASCIIZ, кроме этого, необходимо выполнять процедуру установки указателя текущей записи.

В зависимости от версии системы набор таких операций может меняться, но при этом всегда обеспечивается возможность создания и удаления файлов, а также чтение их содержимого и запись информации в них. Файловая система включает в себя также:

□ правила образования имен файлов и способов обращения к ним;

□ иерархическую систему оглавления файлов;

□ структуру хранения файлов на дисках;

□ методы доступа к содержимому файлов.

Файлы могут создаваться в двух форматах: двоичном и текстовом.

Двоичный файл состоит из последовательности байтов, обычно сгруппирован­ных в логические записи фиксированной Длины. В двоичных файлах хранят­ся исполняемые программы и данные во внутреннем (двоичном, кодовом) пред­ставлении. Файлы с исполняемыми программами при их запуске должны иметь определенную структуру, что операционная система обязательно анализирует. При выводе двоичного файла на дисплей или принтер прочесть его содержимое невозможно, так как при этом считываемые 8-разрядные двоичные коды (байты) переводятся в произвольные графические символы, звуковые сигналы или вооб­ще не воспринимаются, если данный код не имеет графического представления и никак на устройство не действует.

Текстовый файл (файл ASCII) состоит из последовательности строк переменной длины, каждая из которых является логической записью файла. Каждая строка содержит только текстовые символы и завершается маркером конца строки. Тек­стовым символом может быть любой символ ASCII, но, в отличие от двоичных файлов, последовательность символов в текстовом файле непосредственно вос­принимается человеком на экране или принтере. Текстовый файл может содер­жать текст программы на алгоритмическом языке (ассемблер, Basic и т. д.), таб­лицу, исходные и результирующие данные решения задач, документы, научные сообщения и т. п. Роль маркера конца строки играет символ возврата каретки (код 13 ASCII), за которым, возможно, следует символ перевода строки (код 10 ASCII). Текстовый файл завершается обычно маркером конца файла, роль кото­рого играет код 26 ASCII.

Некоторые программные продукты (текстовые редакторы, системы управления базами данных и другие) создают файлы, близкие к текстовым, но содержащие дополнительные управляющие символы, а иногда часть информации и в двоич­ном коде. При выводе таких файлов на экран или принтер средствами DOS

Внешние запоминающие устройства

появляются символы редактирования и/или описания баз данных. Однако при интерпретации этих файлов средствами текстового редактора или СУБД, их создавших, они выводятся в удобочитаемом виде.

С каждым файлом связываются:

□ полное имя файла;

□ атрибуты (характеристики) файла;

□ дата создания файла;

□ время создания файла;

□ длина файла.

Полное имя файла в общем случае состоит из двух частей:

□ идентифицирующей — имени файла;

□ классифицирующей — расширения.

Расширение, определяющее тип файла, может отсутствовать.

В имени файла может быть от 1 до 8 символов в DOS и от 1 до 255 символов в по­следних версиях Windows. Оно является обязательным элементом и должно все­гда указываться при доступе к файлу. Расширение содержит от 1 до 3 символов и отделяется от имени файла символом «> (точка). Хотя операционная система разрешает в имени файла и расширении наличие разных символов, рекомендуется использовать буквы латинского алфавита и цифры, а имя начинать обязательно с буквы. При назначении имен файлам рекомендуется образовывать их так, чтобы они отражали смысловое содержание файла. Расширение указывает тип файла, причем некоторые из расширений являются стандартными для операционной системы, например:

□ EXE (EXEcutable — исполняемый) — файл-программа на машинном языке, готовая к выполнению;

□ COM (COMmand) — файл-программа на машинном языке, готовая к выпол­нению (небольшая программа);

□ ВАТ (BATch — пачка, группа) — пакетный исполняемый командный файл;

□ SYS — системный файл;

□ BAS — файл-программа на языке BASIC;

□ PRG — файл-программа на языке dBASE;

□ ASM — файл-программа на языке ассемблер;

□ ТХТ — текстовый файл;

□ DOC — текстовый файл Word;

□ XLS — файл электронных таблиц Excel;

□ ВАК — копия файла, создаваемая при перезаписи оригинала;

□ ARJ — архивный файл;

□ ZIP — архивный файл.

Приведенный выше список расширений содержит наиболее часто встречающиеся расширения и является далеко неполным. В трансляторах, системных программах

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

и пакетах прикладных программ применяются расширения, являющиеся стан­дартными для конкретного программного продукта. Применение стандартных расширений в именах файлов позволяет компьютеру автоматически выбирать нужную процедуру обработки файла по укороченному сигналу (например при нажатии клавиши Enter).

Операционная система предоставляет средства для указания не одного, а сразу группы существующих на диске файлов путем задания шаблонов имени. Шаблоном является имя файла, в котором используются символы-заменители, называемые также символами подстановки или маской. Шаблон обозначает не единственный файл, а группу файлов, имена и/или расширения которых сопоставляются с дан­ным шаблоном.

Операционная система использует в шаблонах глобальные символы ? и *. Во­просительный знак (?) в имени файла (расширении) означает, что в данной по­зиции может стоять любой (но только один!) допустимый символ. В имени фай­ла (расширении) может быть несколько вопросительных знаков. Если символ ? стоит в конце имени или расширения, то в этой позиции может быть пусто. Например: PROG7.EXE — это шаблон исполняемого файла, имя которого начи­нается с букв PROG и содержит в пятой позиции любой допустимый символ. Этими файлами могут быть PROGl.EXE, PROGA.EXE, PROG.EXE и т, п. Звез­дочка (*) в имени (расширении) файла означает, что на ее месте, начиная с этой позиции и до конца имени (расширения), могут стоять один или несколько любых допустимых символов или присутствие символов не обязательно (пусто). В имени или расширении допускается только по одному символу *, и все симво­лы, следующие за ним, игнорируются.

Например, *.ASM — все файлы с расширением ASM; Prog.* — все файлы с име­нем Prog с любым расширением; *.* — все файлы с любыми расширениями; ABC*.D? — все файлы, имена которых начинаются с ABC, а расширения начина­ются с буквы D и имеют в его второй позиции любой допустимый символ, на­пример, ABCRK.DA, ABC.D1, ABC1.D.

Шаблоны удобно использовать в командах DOS и при работе с программными оболочками (например, Norton Commander или Windows Commander) для поис­ка, копирования, перемещения и удаления групп файлов.

Управление файлами

Доступом называется обращение к файлу с целью чтения или записи в него ин­формации.

Файловая система поддерживает два типа доступа к файлам:

Q последовательный метод доступа;

Q прямой (непосредственный) метод доступа.

При последовательном доступе записи из файла считываются подряд, строго в порядке их расположения в файле. Поэтому чтобы обратиться (получить дос­туп) к определенной записи, необходимо читать все предыдущие. При прямом

Внешние запоминающие устройства

доступе обеспечивается непосредственное обращение к записи по ее номеру в фай­ле. Механизм доступа к файлу и его записям при программировании также имеет два варианта:

□ доступ к файлу с использованием специальной таблицы — управляющего блока файла;

□ доступ к файлу по идентификатору.

Управляющий блок файла (FCB — File Control Block) содержит следующую ин­формацию:

□ номер (букву) дисковода, где установлен диск с файлом;

□ имя файла и его расширение;

□ текущий номер блока в файле;

□ длину записи в байтах;

□ размер файла в байтах;

□ дату последней модификации файла;

□ относительный номер записи (текущий номер);

□ номер записи и т. д.

Некоторые из вышеназванных параметров требуют дополнительного пояснения. Файл состоит из блоков, объединяющих по 128 записей в каждом. Относитель­ный номер записи — это порядковый номер записи в блоке. Текущий номер блока и относительный номер записи используются при последовательном доступе к записям файла. Номер записи — это параметр, объединяющий номер блока и относительный номер записи в блоке, он используется при произвольном доступе к записям файла. Важный параметр — длина записи (точнее длина логи­ческой, кажущейся записи, которая может отличаться от длины физической за­писи ввиду наличия различных служебных элементов в структуре записи и фай­ла). Длина записи используется при определении числа байтов, пересылаемых при обмене информацией с ОЗУ и при определении положения записи внутри блока. Блок FCB позволяет получать доступ к файлам только в текущем каталоге. Идентификатор файла — ASCIIZ-строка, идентифицирующая файл.

ASCIIZ (ASCII-zero) строка содержит следующую информацию:

□ номер (логическое имя) дисковода и путь к файлу (если нужно); Q имя файла и его расширение;

□ нулевой байт (zero-байт).

Использование FCB для обращения к файлу позволяет реализовать и произ­вольный и последовательный методы организации доступа, но часто оказывает­ся довольно сложным, поэтому в версиях MS DOS, начиная с DOS 2.0 и выше, введено обращение к файлу по идентификатору, которое чаще всего и применя­ется на практике, если не требуется выполнять детализированные процедуры с отдельными дорожками и секторами диска. Каждый файл и в случае использо­вания FCB, и в случае использования ASCIIZ должен иметь свой файл атрибута, или просто атрибут.

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

Атрибуты файлов

Атрибут — это классифицирующий файл признак, определяющий способ его ис­пользования, права доступа к нему и т. д. ОС DOS допускает задание следую­щих элементов в атрибуте:

□ R (Read only) — файл предназначен только для чтения и не может быть ни
удален, ни изменен. При попытке обновить или уничтожить такой файл сис­
темными средствами (при помощи программ DOS) будет выдано сообщение
об ошибочных действиях. Атрибут устанавливается для защиты от случайно­
го изменения или уничтожения;

О Н (Hidden) — скрытый файл. Игнорируется многими командами DOS. При просмотре каталога командой DIR сведения о скрытом файле обычно не вы­даются;

□ S (System) — системный файл. Системные файлы предназначены для работы
операционной системы или работы внешних устройств ПК;

О A (Archive) — еще не архивированный файл. Этот атрибут позволяет опреде­лить, было ли произведено резервное копирование файла (создание его ре­зервной копии в специальном формате). Атрибут А присваивается каждо­му вновь создаваемому файлу и сбрасывается (уничтожается) при создании . резервной копии файла.

Файлу могут быть присвоены одновременно любые из перечисленных атрибутов или ни один из них.

К группе атрибутов файла можно условно отнести пароль, обеспечивающий раз­граничение доступа к файлам.

Логическая организация файловой системы

Упорядочение файлов, хранящихся в дисковой памяти, называется логической организацией файловой системы. Основой логической организации являются каталоги. Каталогом называется специальный файл, в котором регистрируются другие файлы. Наряду с термином «каталог» в сообщениях DOS и ее документа­ции для идентификации этого файла используются также термины «раздел», «директория». В каталоге содержится вся информация, характеризующая входя­щие в него файлы, и сведения о том, в каком месте диска файл расположен. В част­ности, в каталоге поддерживаются следующие параметры файла: имя, расширение, атрибуты, размер в байтах, дата и время создания или последнего обновления, номер начального кластера размещения файла. Сам же файл хранится как после­довательность байтов без каких-либо дополнительных справочных сведений.

Каталог, в свою очередь, может входить в другой каталог — быть его подкатало­гом. Каталог верхнего уровня, который не является подкаталогом, называется корневым каталогом (Root Directory). Место для корневого каталога резервиру­ется при форматировании (разметке) диска и имеет стандартный размер — 3584 байта (то есть вмещает не более 112 записей по 32 байта, а если больше, то их предварительно надо объединить в подкаталоги). Корневой каталог не может быть удален средствами операционной системы.

Внешние запоминающие устройства

Каждый элемент (файл или подкаталог) корневого каталога имеет размер 32 байта и включает 8 полей, для файлов это:

□ имя файла — 8 байтов;

□ расширение имени файла — 3 байта;

□ атрибут файла — 1 байт;

□ резерв — 10 байтов;

□ время создания или последней модификации файла (час, минута, секунда) — 8 байтов;

□ дата создания или последней модификации файла (год, месяц, день) — 2 байта;

□ номер кластера, с которого начинается файл на диске, — 2 байта (в FAT16);

□ фактическая длина файла в байтах — 4 байта.

Каталог — это файл специального формата, содержащий записи о файлах и ката­логах, которые ему подчинены. Каталог, который входит в другой каталог, назы­вается подкаталогом, или дочерним каталогом. В свою очередь каталог, имеющий дочерние каталоги, называется родительским каталогом, или иадкаталогом. Как правило, если это не вызывает путаницы, употребляют термин «каталог», подра­зумевая или подкаталог, или надкаталог в зависимости от контекста. Термины «подкаталог» (дочерний каталог) и «надкаталог» (родительский каталог) обычно применяют, когда речь идет о собственно структуре каталогов. Подкаталоги мо­гут создаваться и уничтожаться пользователем. Правила наименования подката­логов такие же, как и правила наименования файлов, но имена подкаталогов не имеют расширений. Каталог, не содержащий никаких файлов, называется пустым.

Каждый диск хранит свою файловую структуру, которая формируется по сле­дующим правилам;

□ файл или каталог может входить с одним и тем же именем в один и тот же ка­талог только один раз;

□ допускается вхождение в различные каталоги файлов и каталогов с одинако­выми именами;

□ на порядок следования файлов и подкаталогов в каталоге никаких ограниче­ний не накладывается;

□ глубина вложенности каталогов не ограничивается.

Файловая система обеспечивает формирование иерархической многоуровне­вой файловой структуры, в корне которой находится корневой каталог, а узлами и листьями являются каталоги и файлы. Рассмотрим пример дерева каталогов (рис. 6.7). Здесь в состав корневого каталога включены подкаталоги ASM, VIR и DB, содержащие файлы компиляторов, программ антивирусной защиты и дан­ных. В свою очередь, подкаталог ASM содержит компилятор языка ассемблер masm.exe и подкаталог ASMPROG, в котором находятся файлы с программами на этом языке. Подкаталог VIR содержит файлы aidstest.exe и dir.exe. В подкаталоге DB расположены файлы базы данных.

Объединение файлов в каталоги не означает, что они каким-либо образом сгруп­пированы в одном месте на диске. Более того, один и тот же файл может быть

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

«разбросан» (фрагментирован) по всему диску. Сведения о местонахождении отдельных частей файла хранятся в таблице размещения файлов (FAT — File Allocation Table), находящейся на том же диске.

Рис. 6.7. Пример дерева каталогов

Спецификация файла

Для того чтобы операционная система могла обратиться к файлу, необходимо

указать:

Q диск;.

□ каталог;

□ полное имя файла.

Эта информация наличествует в спецификации файла, которая имеет следую­щий формат:

[drive:][\][path\]filename[.type],

или в русскоязычном варианте:

[дисковод:][\][путь\]имя файла[.расширение].

Квадратные скобки означают, что элементы, заключенные в них, могут отсутст­вовать. Сами квадратные скобки являются синтаксическими знаками и в специ­фикации файла не используются. Между элементами спецификации и внутри них (исключая имя и расширение файла) не должно быть пробелов.

Элемент drive (дисковод) обозначает диск, на котором находится файл или куда он записывается, например А:, В:, С:, D: и т. д. Если дисковод не указан, то по умолчанию используется текущий диск. Текущий диск — это диск, с которым в настоящий момент работает операционная система (ОС). Текущий диск уста­навливается автоматически после загрузки ОС и может быть переустановлен командой операционной системы. Имя текущего диска всегда выводится в под­сказке на экране.

Внешние запоминающие устройства

Path (путь) — это каталог или последовательность каталогов, которые необхо­димо пройти по дереву каталогов к тому каталогу, где находится файл. Имена в пути записываются в порядке от корневого каталога и разделяются символом «\». Путь может начинаться символом «\»: в этом случае поиск файла начинает­ся с корневого каталога. Путь может начинаться символами «..»: тогда поиск файла начинается с предшествующего надкаталога. Если путь опущен, то по умолчанию подразумевается текущий каталог.

Например,

D:\VIR\aidstest.exe — файл aidstest.exe находится в подкаталоге VIR на диске D:. Путь состоит из корневого каталога и подкаталога VIR. (Если текущий дисковод D, то можно указать \VIR\aidstest.exe.)

D:\ASM\ASMPROG\sqr.asm — файл sqr.asm находится в каталоге ASMPROG. Путь включает в себя корневой каталог и подкаталоги ASM и ASMPROG.

Masm.exe — файл masm.exe отыскивается на текущем диске в текущем каталоге. Текущим каталогом должен быть каталог ASM. (Если текущий каталог ASMPROG, то годится спецификация ..masm.exe.)

Дисковод и путь могут не указываться при обращении к файлам типа СОМ, ЕХЕ или ВАТ, даже если диск и каталог не являются текущими. В этом случае сведения о диске и пути указываются в команде PATH, включаемой в файл Autoexec.bat. Для стандартных символьных внешних устройств ПК (они выступают здесь как логические устройства) предусмотрены постоянные имена (правда, без расшире­ний), позволяющие обращаться к ним как к файлам:

□ PRN или LPT1 (2, 3) — принтер;

□ CON — консоль (клавиатура при вводе и дисплей при выводе);

□ СОМ1 (2, 3, 4) — дополнительные символьные внешние устройства;

□ NUL — фиктивное устройство; обычно используется при отладке программ пользователей.

Размещение информации на дисках

Дорожки диска разбиты на секторы (рис. б.б). В одном секторе дорожки обычно размещается 512 байт данных. Обмен данными между НМД и ОП осуществля­ется последовательно кластерами. Кластер — это минимальная единица разме­щения информации на диске, состоящая из двух или большего числа смежных секторов дорожки (кластеры называют также единицами выделения памяти — allocation unit). Поэтому, если необходимо разместить на диске маленький файл, например размером 20 байт, он все равно займет дисковое пространство разме­ром в кластер (минимум 2 х 512 = 1024 байт).

Количество секторов в кластере всегда равно целой степени 2. Таблица FAT 16 в 16-ти битах должна быть способна отображать значение максимального номера кластера, то есть количество кластеров на диске (или в разделе диска) не боль­ше, чем 2^1й = 65 536. По причине выхода за пределы 16-битовой адресации внут­ри кластера его максимальный размер должен быть меньше 64 Кбайт, то есть

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

32 Кбайт. В FAT16 размер кластера (а косвенно и количество кластеров) можно определить, разделив объем памяти диска на 64 Кбайт (65 536) и округлив ре­зультат до ближайшего большего числа, кратного степени двойки. Так, для диска емкостью 1,2 Гбайт размер кластера составит: 1 258 291,2/65,5 = 19,2 Кбайт, по­сле округления получим 32 Кбайт; для дисков объемом 2 Гбайт размер кластера будет равен 64 Кбайт, а для 2,5-гигабайтовых дисков — более 64 Кбайт, что недо­пустимо. Иными словами, FAT 16 практически может работать только с дисками емкостью не более 2 Гбайт.

Поэтому была разработана более мощная 32-разрядная файловая система FAT32. В ней количество секторов и количество кластеров могут быть одинаковыми и ограничено значением 2³². Хотя размер кластера с целью экономии дискового пространства можно было бы приравнять размеру сектора, это не сделано по причине большого объема самой FAT — таблицы размещения файлов (напомню, что по имени этой таблицы называют и всю файловую систему целиком), которая для диска, например, емкостью 10 Гбайт будет иметь размер 80 Мбайт (а таких файлов на диске должно быть несколько, включая страховые копии). Одна из таблиц при наличии кэш-памяти для диска загружается в ОП. Поэтому размеры кластеров в FAT32 приняты в соответствии с табл. 6.4.

Таблица 6.4. Размеры кластеров в FAT32

ПРИМЕЧАНИЕ ----------------------------------------------------------------------------------------------------

На диске емкостью 20 Гбайт 10-байтовый файл будет занимать 16 Кбайт памяти (поскольку под него отводится целое число кластеров). Высвободить пространство в кластерах для использования другими файлами позволяют программы сжатия диска, в частности DriveSpace. Но надежность работы файловой системы при этом снижается.

Кластеры, выделяемые одному файлу, могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являются смежными. Файлы, хранящие­ся в разбросанных по диску кластерах, называются фрагментированными.

Адресация информации на диске

Используются следующие системы адресации информации на МД:

□ в BIOS — трехмерная: номер цилиндра (дорожки), магнитной головки (сто­роны диска), сектора;

□ в DOS — последовательная сквозная нумерация секторов, начиная от внеш­него 0-го цилиндра (дорожки), головки 0, сектора 1.

Внешние запоминающие устройства

На каждом диске можно выделить 2 области: системную и данных. Системная область диска (начинается с 0 дорожки, стороны 0, сектора 1) состоит из 3 участков.

□ Главной загрузочной записи (MBR — Master Boot Record), самого первого сектора диска, в котором описывается конфигурация диска: какой раздел (логи­ческий диск) является системным (из системного раздела возможна загрузка операционной системы), сколько разделов на этом диске, какого они объема.

□ Таблицы размещения файлов (FAT — File Allocation Table), содержащей код формата и полную карту принадлежности секторов файлам. FAT организова­на в виде списка кластеров (они нумеруются от 2 до N + 1, где N — полное число кластеров на диске), для каждого кластера в таблице указывается шест-надцатеричный код: FFF1-FFF7 — кластер дефектный, 0002-FFF0 — кластеры, используемые файлом (код соответствует номеру кластера, где продолжается текущий файл), FFF8-FFFF — кластер содержит последнюю часть файла, 0000 — кластер свободен (все коды указаны для FAT16).

Для каждого файла в корневом каталоге (3-я зона системной области) указы­вается номер его начального кластера, а в этом начальном и следующих кла­стерах в FAT указываются, соответственно, следующие кластеры файла, и так до последнего, где указан код FFFF. Таблица размещения файлов крайне важна, так как без нее последовательно читать файл на диске (особенно если кластеры файла записаны не подряд, а через промежутки, занятые другими файлами) становится невозможно. Поэтому для надежности FAT на диске дублируется. Когда файл на диске удаляется, все его кластеры маркируются как свободные, но сами данные файла не удаляются (затираются только после записи на их место других данных) — то есть удаленные файлы можно восста­новить (команда UNDELETE DOS, утилита UNERASE в пакете Norton Utilities).

□ Корневой каталог диска — список файлов и/или подкаталогов с их параметра­
ми. Параметры файла, содержащиеся в корневом каталоге: имя, расширение,
атрибут, размер в байтах, дата и время создания или последнего обновления,
номер начального кластера. Структура записи параметров файла в корневом
каталоге показана в табл. 6.5 (для FAT16).

Таблица 6.5.Структура записи параметров файла

В области данных расположены подкаталоги и сами данные. На жестких дисках системная область создается на каждом логическом диске.

Глава 6. Запоминающие устройства-ПК

Накопители на жестких магнитных дисках

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД, жесткие диски, Hard Disk Drive — HDD) представляют собой устройства, предназначенные для длительно­го хранения информации. В качестве накопителей на жестких магнитных дисках широкое распространение в ПК получили накопители типа винчестер. Термин «винчестер» является жаргонным названием 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 eutwecmep. В этих накопи­телях один или несколько жестких дисков, изготовленных из сплавов алюминия или из керамики и покрытых ферролаком, вместе с блоком магнитных головок считывания-записи помещены в герметически закрытый корпус. Под дисками рас­положен двигатель, обеспечивающий вращение дисков, а слева и справа — поворот­ный позиционер с коромыслом, управляющим движением магнитных головок по спиральной дуге для их установки на нужный цилиндр. Емкость винчестеров благодаря чрезвычайно плотной записи, выполняемой магниторезистивными головками в таких герметических конструкциях, достигает нескольких десятков гигабайтов; быстродействие их также весьма высокое: время доступа от 5 мс, трансфер до 6 Гбайт/с. Магниторезистивные технологии обеспечивают чрезвы­чайно высокую плотность записи, позволяющую размещать 2-3 Гбайт данных на одну пластину (диск). Появление же головок с гигантским магниторезистивным эффектом (GMR — Giant Magnetic Resistance) еще более увеличило плотность записи — возможная емкость одной пластины возросла до 6,4 Гбайт.

НЖМД весьма разнообразны. Диаметр дисков чаще всего 3,5 дюйма (89 мм). Наиболее распространенная высота корпуса дисковода: 25 мм — у настольных ПК, 41 мм — у машин-серверов, 12 мм — у портативных ПК, существуют и дру­гие. Внешние дорожки диска длиннее внутренних. Поэтому в современных жест­ких дисках используется метод зонной записи. В этом случае все пространство диска делится на несколько зон, причем во внешних зонах секторов размещается больше данных, чем во внутренних. Это, в частности, позволило увеличить емкость жестких дисков примерно на 30%.

Внешний вид НМЖД со снятой крышкой показан на рис. 6.8.

Рис. 6.8. Жесткий диск со снятой крышкой

Есть два основных режима обмена данными между HDD и ОП:

□ Programmed Input/Output(PIO — программируемый ввод-вывод);

□ Direct Memory Access(DMA — прямой доступ к памяти).

Внешние запоминающие устройства

РЮ — это режим, при котором перемещение данных между периферийным уст­ройством (жестким диском) и оперативной памятью происходит с участием цен­трального процессора. Существуют следующие режимы передачи: РЮО, РЮ1, РЮ2, РЮЗ, РЮ4. Причем РЮО самый «медленный», а РЮ4 — самый «быст­рый» (16,6 Мбайт/с). Режимы РЮ в современных ПК используются редко, по­скольку сильно загружают процессор.

DMA— это режим, в котором винчестер напрямую общается с оперативной па­мятью без участия центрального процессора, перехватывая управление шиной. Режимы DMA при интерфейсах IDE поддерживают протоколы SW (SingleWord — однословный) и MW (MultiWord — «многословный»), обеспечивающие трансфер до 66 Мбайт/с (при протоколе MW3 DMA). При интерфейсах SCSI может быть достигнута более высокая скорость передачи. Так, наиболее популярный сей­час интерфейс Ultra2Wide SCSI (Ultra2 означает работу на тактовой частоте 40 МГц; Wide — ширину шины 16 битов) обеспечивает пропускную способность 80 Мбайт/с, при этом можно подключать до 15 накопителей к одному контрол­леру интерфейса. А технология FC-AL (Fibre Channel-Arbitrated Loop), исполь­зующая оптоволоконные каналы связи для жестких дисков SCSI, обеспечивает трансфер 200 Мбайт/с и возможность подключения до 256 устройств (использует­ся, естественно, не в ПК, а в больших системах и в дисковых массивах — RAID).

Время доступа к информации на диске напрямую связано со скоростью враще­ния дисков. Стандартные скорости вращения для интерфейса IDE — 3600, 4500, 5400 и 7200 оборотов/мин; при интерфейсе SCSI используются скорости до 10 000 и даже до 12 000 оборотов/мин. При скорости 10 000 оборотов/мин сред­нее время доступа составляет 5,5 мс. Для повышения скорости обмена данными процессора с дисками НЖМД следует кэшировать. Кэш-память для дисков име­ет то же функциональное назначение, что и кэш для основной памяти, то есть служит быстродействующим буфером для кратковременного хранения информа­ции, считываемой или записываемой на диск. Кэш-память может быть встроен­ной в дисковод, а может создаваться программным путем (например, драйвером Microsoft Smartdrive) в оперативной памяти. Ёмкость кэш-памяти диска обычно составляет 2 Мбайт, а скорость обмена данными процессора с кэш-памятью до­стигает 100 Мбайт/с.

Для того чтобы получить на магнитном носителе структуру диска, включающую в себя дорожки и секторы, над ним должна быть выполнена процедура, называемая физическим, или низкоуровневым, форматированием (physical, или low-level formatting). В ходе выполнения этой процедуры контроллер записывает на носи­тель служебную информацию, которая определяет разметку цилиндров диска на секторы и нумерует их. Форматирование низкого уровня предусматривает и мар­кировку дефектных секторов для исключения обращения к ним в процессе экс­плуатации диска.

Существует и технология SMART(Self-Monitoring Analysis and Reporting Tech­nology) — технология самотестирования и анализа, осуществляющая автомати­ческую проверку целостности данных, состояния поверхности дисков, пере­нос информации с критических участков на нормальные и другие операции без участия пользователя. Кроме того, при появлении и нарастании серьезных

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

ошибок SMART своевременно выдает сообщение о необходимости принятия мер по спасению данных.

В ПК имеется обычно один, реже несколько накопителей на жестких магнитных дисках. Однако в MS DOS программными средствами один физический диск может быть разделен на несколько «логических» дисков; тем самым имитирует­ся несколько НМД на одном накопителе.

Большинство современных накопителей имеют собственную кэш-память емкостью от 2 до 8 Мбайт.

Среди последних новинок заслуживают внимания HDD компании 1-0 Data, представившей в декабре 2002 года три модели емкостью 250 Гбайт: внутренний накопитель UHDI 250 с интерфейсом Ultra ATA-133 и внешние накопители: HDA-IU 250 с интерфейсом USB 2.0 и HDA-IE 250 с интерфейсом IEEE 1394.

Внешние HDD относятся к категории переносных.

В последнее время переносные накопители (их также называют внешними, мо­бильными, съемными, а портативные их варианты — карманными — Pocket HDD) получили широкое распространение. Питание переносных жестких дисков выполняется либо от клавиатуры, либо по шине USB (возможный вариант — через порт PS/2).

Переносные жесткие диски весьма разнообразны: от обычных HDD в отдельных корпусах до стремительно набирающих популярность твердотельных дисков.

Размеры корпуса могут быть разными. Например: 219 х 155 х 44 мм, 143 х 87 х х 27 мм, 126 х 75 х 15 мм и др. Форм-фактор дисков чаще всего 2,5 дюйма, а ем­кость от 1 до 60 Гбайт.

Компания Cornice Inc. (США) готовится к выпуску в конце 2003 года однодюй­мовых винчестеров емкостью 1,5 Гбайт.

Переносить большие массивы данных с одного компьютера на другой позволяют также оптические накопители CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW и DVD-RAM. Их носители обеспечивают перенос больших массивов данных с одного компью­тера на другой. Кроме того, в силу относительно высокой производительности эти накопители можно использовать в тех же целях, что и обычные стационар­ные жесткие. Такие устройства могут применяться и для решения задач резерв­ного копирования информации. Перечислим наиболее популярные типы съемных пакетов дисков и дисководов.

Jaz 1Gb, Jaz 2Gb

Модели Jaz 1Gb, Jaz 2Gb,разработанные компанией Iomega (Jaz 1Gb поддер­живают жесткие диски емкостью 1 Гбайт, а дисководы Jaz 2Gb — диски ем­костью 1 Гбайт и 2 Гбайта). Iomega Jaz 2СЬ-дисководы отличаются более вы­сокой скоростью работы. Пиковая скорость передачи данных имеет величину 20 Мбайт/с, средняя скорость равна примерно 7,5 Мбайт/с, а среднее время до­ступа — 15,5-17,5 мс, скорость вращения двигателя — 5400 оборотов/мин, ин­терфейс — SCSI. По своим характеристикам устройства Jaz 2Gb ненамного усту­пают обычным стационарным жестким дискам. Однако максимальный объем дисков ограничен величиной 2 Гбайт. К основным достоинствам этих систем относятся относительно высокое быстродействие, простота установки и эксплуа-

Внешние запоминающие устройства

тации, хорошее программное обеспечение. Главным недостатком является высо­кая цена на дисководы и диски.

Иногда НЖМД со сменными пакетами дисков и НГМД типа Zip называют нако­пителями Бернулли, поскольку в этих накопителях для минимизации и регули­рования зазора между магнитной головкой и носителем — магнитным диском — используется закон Бернулли: давление на поверхность тела, создаваемое пото­ком движущейся вдоль нее жидкости или газа, зависит от скорости этого потока и уменьшается с увеличением этой скорости. Магнитные головки располагаются над поверхностью эластичных дисков: когда диски неподвижны, они под действи­ем своего веса несколько провисают и отходят от головок, при быстром вращении дисков под действием создающегося разрежения воздуха они притягиваются к головкам почти вплотную, но без их касания. Это обеспечивает минимальное рассеивание магнитного потока головки и позволяет увеличить плотность запи­си информации на диске.

SyJet

Syjet— дисковод сменных жестких дисков, разработанный компанией SyQuest. Это устройство поддерживает накопители емкостью 1,5 Гбайт, которые произ­водятся по технологии жестких дисков. Один такой накопитель имеет 2 диска, 4 поверхности. Устройства Syjet выпускаются с интерфейсами IDE, LPT, SCSI. Пиковая скорость передачи Syjet превышает 10 Мбайт/с, средняя скорость составляет 7 Мбайт/с. Самым медленным является внешний дисковод с интер­фейсом LPT, поскольку его скорость обмена определяется исключительно ско­ростью обмена параллельного порта. Среднее время доступа для устройств Syjet составляет 11-12 мс. Скорость вращения двигателя равна 5400 оборотов/мин.

SparQ

SparQ,— устройство, разработанное компанией SyQuest. Поддерживает диски емкостью 1 Гбайт. Существуют накопители SparQ с интерфейсами IDE, SCSI, LPT, USB. Для всех систем SparQ среднее время доступа составляет 12 мс, а час­тота вращения шпинделя — 5400 оборотов/мин. Пиковая скорость передачи дан­ных для устройств IDE при пакетной передаче достигает 16,6 Мбайт/с. Обычная скорость имеет величину порядка 3,7-6,9 Мбайт/с.

EZFIyer

EZFlyer— дисковод сменных жестких дисков, разработанный компанией SyQuest. Это устройство поддерживает картриджи емкостью 230 Мбайт. Существуют внешние устройства с интерфейсами SCSI и LPT, а также внутренние с интер­фейсом IDE. Среднее время доступа для EZFlyer составляет 13,5 мс, а частота вращения двигателя дисковода — 3600 оборотов/мин. Максимальная скорость передачи данных может доходить до 16,6 Мбайт/с.

Shark 250

Shark 250— дисковод сменных жестких дисков компании Avatar, поддерживаю­щий диски емкостью 250 Мбайт. Производятся устройства с интерфейсами LPT

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

и PC Card. Данные устройства имеют очень маленькие габариты и малый вес (320 г). Для систем с интерфейсом PC Card скорость передачи данных составля­ет 2 Мбайт/с, а для систем с LPT — 1,25 Мбайт/с. Среднее время доступа для та­ких устройств равно 12 мс.

Orb

Orb— устройство, разработанное компанией Castlewood. Этот накопитель поддер­живает 3,5-дюймовые сменные диски емкостью 2,2 Гбайт. Максимальная скорость передачи информации составляет 12,2 Мбайт/с. Среднее время поиска — 10-12 мс. Выпускаются устройства с интерфейсами LPT, USB, IDE, SCSI и IEEE 1394. Дисководы Orb бывают как внутренние, так и внешние. В силу большой емкости дисков, высокой производительности и относительно низкой стоимости по срав­нению с Jaz 2Gb, системы Orb составляют серьезную конкуренцию изделиям компании Iomega.

IBM Microdrive

IBM Microdrive— миниатюрный накопитель на жестком диске форм-фактора 2,5 дюйма, предложенный фирмой IBM. Емкости современных моделей нахо­дятся в диапазоне от 1 до 40 Гбайт. Питание осуществляется от клавиатуры или по шине USB. Скорость вращения дисков — 4500 оборотов/мин, скорость пере­дачи данных — 800 Кбайт/с. Отличаются сравнительно высоким потреблением энергии. Подключаются через разъем Compact Flash.

ZIV1, ZIV2

ZIV— весьма изящный миниатюрный дисковый накопитель форм-фактора 2,5 дюйма со специальным контроллером, подключаемым к интерфейсам USB 1.1 (ZIV1) или USB 2.0 (ZIV2). Типовой размер корпуса 118 х 72 х 11 мм, вес 130 г. Это действительно карманный жесткий диск, легко умещающийся в верхнем кармане рубашки.

Первые накопители ZIV фирмы Hyundai появились в России в 2001 году и име­ли емкость 10 Гбайт. Сейчас (2003 год) на рынке присутствуют модели ZIV1 ем­костью 10, 15, 20, 30 Гбайт и накопители ZIV2 емкостью 10, 20, 30, 40 и 60 Гбайт. Питание накопителя осуществляется через интерфейс USB, но есть дополни­тельный шнур для подключения к порту PS/2. USB обеспечивает подключение устройств по технологии Plug and Play (или, как указывается в рекламных объ­явлениях, — подключение «на лету»).

Скорость обмена данными у ZIV1 составляет 1,5 Мбайт/с, у ZIV2 — до 18 Мбайт/с.

Устройства флэш-памяти

Флэш-диски (Flash Disks) — весьма популярный и очень перспективный класс энергонезависимых запоминающих устройств. Флэш-диски (твердотельные дис­ки) являются модификацией HDD и представляют собой устройства для долго­временного хранения информации с возможностью многократной перезаписи.

Внешние запоминающие устройства

Стирание и запись данных осуществляется так же, как у HDD — блоками (ино­гда называемыми по аналогии с магнитными дисками секторами, но более пра­вильно было бы их именовать кластерами).

У флэш-дисков отсутствуют какие-либо подвижные части, да и форма у них со­всем не круглая — чаще всего они представляют собой прямоугольные картриджи.

Для хранения информации в них используются специализированные микросхе­мы памяти с металлизацией (металл-нитридные), выполненные по технологии Flash, изобретенной в начале 80-х годов в фирме Intel. Дисками их называют условно, поскольку флэш-диски полностью эмулируют функциональные возмож­ности HDD. При работе указатели в микросхеме перемещаются на начальный адрес блока, затем байты данных передаются в последовательном порядке с исполь­зованием стробирующего сигнала. Стирание содержимого всего блока выполня­ется одномоментно отдельным сигналом (отсюда, вероятно, и название памяти flash — вспышка); тотальное стирание было специально организовано разработ­чиками, поскольку первоначально флэш-память применялась в военных прибо­рах, и при обнаружении попыток несанкционированного доступа к ним необхо­димо было сразу уничтожать все данные — система автоматически генерировала внутренний сигнал стирания).

По существу, флэш-диски — это «полупостоянные» запоминающие устройства, стирание, считывание и запись информации в которых выполняется электриче­скими сигналами (в отличие от прочих ПЗУ, в которых эти действия произво­дятся лучом лазера или чисто механически — «перепрошивкой»). Количество циклов перезаписи информации в одну и ту же ячейку у флэш-памяти ограни­чено, но оно обычно превышает 1 миллион — эта величина иногда указывается в паспорте микросхемы. В современных устройствах имеются программные или аппаратные средства формирования виртуальных блоков, обеспечивающие за­пись информации поочередно в разные области флэш-памяти так, чтобы число циклов стирания и записи было равномерно распределено по всем блокам диска. Это существенно увеличивает срок службы флэш-памяти: ее работоспособность сохраняется сотни лет.

Емкость современных флэш-дисков, изготовленных на основе многоуровне­вых ячеек (MultyLevel Cell, MLC) на базе логических схем NAND («Не-И», штрих Шеффера), достигает нескольких гигабайтов при крайне миниатюрных размерах.

Флэш-диски обладают высочайшей надежностью — среднее время наработки на отказ (Mean Time Between Failures — MTBF) у них составляет, как правило, более миллиона часов; они устойчивы к механическим ускорениям и вибрациям, работают в широком диапазоне температур (от -40 до +85 °С).

Во время выполнения операций чтения-записи флэш-диски обычно потребляют не более 200 мВт электроэнергии и, естественно, не шумят.

Скорость считывания информации составляет несколько мегабайтов в секунду, скорость записи несколько ниже (эти значения зависят от типа флэш-памяти и ее интерфейса).

Линейку чипов (ИС) многоцелевой флэш-памяти на базе Super Flash (SF)пред­ставила компания Silicon Storage Technology. Эти чипы могут использоваться

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

в КПК, в Bluetooth-устройствах и в оборудовании для беспроводных сетей. Четырехмегабитовые чипы имеют время доступа 90 не, время стирания секто­ра — 36 мке, стирание всей ИС занимает 140 мкс. Потребление тока в активном режиме — 5 мА, в режиме ожидания — 1 мкА при напряжении 1,95 В. Чипы выпускаются в разных исполнениях — в 48-контактных корпусах: TFBGA (6x8x1 мм), WFBGA (4 х 6 х 0,63 мм), XFLGA (4 х 6 х 0,47 мм).

Конструктивно флэш-диски могут быть выполнены в виде микросхемы. Напри­мер, флэш-диск Disk on Chip 2000 фирмы M-Systems представляет собой DIP-микросхему с 32 контактами (современные ROM BIOS выполняются также на основе флэш-памяти в виде обычной микросхемы). Микросхемы Disk on Chip емкостью до 128 Мбайт используются в ПК.

Сейчас выпускаются чипы Disk on Chip третьего поколения. Так, корпорации M-Systems и Toshiba в 2002 году анонсировали флэш-накопитель Mobile Disk on Chip G3,изготовленный в виде многоуровневой ячейки по технологии NAND. Емкость построенного по нормам 0,13 мкм чипа равна 64 Мбайт. Поддерживается прямой доступ к памяти (DMA) и режим Multy Burst, обеспечивающий ско­рость чтения 80 Мбайт/с. Имеются встроенные алгоритмы коррекции ошибок. Toshiba и SanDisk начнут выпуск 90-нм флэш-памяти типа NAND (256-512 Гбайт) в 2004 году — ее разработка закончена. Ныне самую большую емкость имеет чип 2 Гбит, 130 нм.

Многие производители предусматривают на своих системных платах гнезда для установки флэш-чипов. Интерфейс для их подключения аналогичен интерфейсу ПЗУ BIOS.

Флэш-дискив настоящее время выпускаются многими фирмами, с различными интерфейсами и в разных конструктивных исполнениях. Они могут быть не только внешними дисками ПК, но и устанавливаться внутри системного блока. В качестве фиксированной памяти используются флэш-карты, выполненные в виде печатных плат, предназначенных для непосредственной установки в разъ­емы системной платы компьютера. Они способны работать с системными и ло­кальными интерфейсами ПК (ISA, PCI и др.). Значительно чаще флэш-па­мять используется в качестве альтернативных HDD твердотельных дисков. В этом случае востребованы периферийные интерфейсы ATA (IDE), Serial ATA, USB, IEEE 1394 и др. Широкое применение флэш-диски нашли в цифровых фото-и видеокамерах.

Конструктивных вариантов исполнения флэш-дисков существует много.

□ ATA Flash, (PC Card ATA).Карты этого формата имеют емкость до 1 Гбайт, габариты 85,6 Ч 54 Ч 33 мм, они снабжены 68-контактным разъемом (совмес­тим со стандартным разъемом PCMCIA ноутбука) и АТА-контроллером. Благодаря последнему обеспечивается эмуляция обычного жесткого диска. Имеется несколько типов PC Card: Typel, Type2, ТуреЗ, отличающихся тол­щиной: 3,3; 5,0 и 10,5 мм соответственно:

О Typel обычно используется как фиксированная память;

О Туре2, кроме того, может выполнять функции модема или сетевой карты;

О ТуреЗ чаще всего эмулирует жесткие диски.

Внешние запоминающие устройства

□ Compact Flash (CF)имеют две модификации: Compact Flash Typel (CF1)
и Compact Flash Type2 (CF2).

О Compact Flash Typel, пожалуй, самый распространенный сейчас (на 2002 год) формат. Он разработан в 1994 году фирмой SanDisk и имеет размеры 42,8 х 36,4 х 3,3 мм, вес 10 г, соответствующие спецификации PCMCIA, но его 50-контактный торцевой разъем входит в противоречие с этой спе­цификацией (при подсоединении к ноутбуку требуется переходник на 68-контактный разъем). Емкость карт CF1 составляет до 512 Мбайт. Ско­рость чтения карт CF1, выпущенных в 2002 году компанией Netac, состав­ляет 1 Мбайт/с, а скорость записи — 0,9 Мбайт/с.

О Compact Flash Type2 (CF2) имеют толщину 5 мм, что позволило увели­чить их емкость до 4 Гбайт. Скорость чтения-записи — 1,4 Мбайт/с. Упро­щенным вариантом CF могут считаться Miniature Card,имеющие почти такие же габаритные размеры (38 х 33 х 3,5 мм), но у них нет внутреннего контроллера для эмуляции HDD (то есть эти карты используются как обычная память).

□ Smart Media (SM)— твердотельный диск, предложенный в 1998 году компа­нией Toshiba. Габариты устройства 45,5 х 37 х 0,76 мм, вес — 2 г. Разъем име­ет 22 контакта. Внутреннего контроллера у диска нет. Емкость современных SM не превосходит 128 Мбайт, скорость обмена — 512 Кбайт/с.

□ xD-Picture— усовершенствованный вариант SM, размер карты 25 х 20 х х 1,7 мм, вес — 2 г (это самые миниатюрные карты памяти на начало 2003 года). Емкость — 256 Мбайт, в ближайшее время ожидаются карты компании Fuji Photo Film емкостью 512 Мбайт, в дальнейшем прогнозируются и до 8 Гбайт. Скорость передачи до 3 Мбайт/с.

□ MultiMedia Card (MMC).Была представлена фирмами SanDisk и Siemens в конце 1997 года. Емкость карт до 256 Мбайт, размер 32 х 24 х 1,4 мм, вес — 2 г. Скорость чтения данных до 2 Мбайт/с, записи — до 512 Кбайт/с.

□ Secure Digital Card (SD)улучшенный вариант карт MMC, предложенный в 1999 году компанией Matsushita Electric Industrial Co Ltd (торговая марка Panasonic). Это один из самых перспективных форматов хранения информа­ции во флэш-памяти. Размер карт 32 х 24 х 2,1 мм, вес около 2 г, емкость совре­менных SD варьируется от 32 до 1024 Мбайт, скорость обмена — 6 Мбайт/с. Карта оборудована 9-контактным разъемом, имеется возможность защиты от несанкционированного доступа по паролю и переключатель для защиты от случайной записи или стирания. Флэш-карта от Matsushita (2003 год) имеет емкость 1 Гбайт, скорость обмена 20 Мбайт/с; в 2004 году обещана карта ем­костью 2 Гбайт, а в 2005 году — версии карт на 4 Гбайт и далее на 8 и 16 Гбайт. Карты SM, MMC, SD первоначально разрабатывались для использования в цифровых фото- и видеокамерах. Сейчас для них выпускаются дисководы для подключения к компьютерам. Например, компания TDK Marketing пред­ставила миниатюрные считыватели серии Media Reader с интерфейсом USB2 для флэш-карт форматов SD, MMC, CF и IBM Microdrive (питание через шину USB).

Т84

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

□ Miniature Card (ViniCard)— тип этой флэш-памяти нашел применение в ор­ганайзерах и сотовых телефонах. Их емкость всего 64 Мбайт, размеры 33 х 32 х 2,8 мм.

□ Memory Stick(появились в 1998 году, емкость до 256 Мбайт, размеры 50 х х 21,5 х 2,8 мм) применяются в основном в цифровых и видеокамерах. Но фир­ма Sony рекламирует их в качестве универсальных устройств памяти и оснащает ими многие свои изделия, в частности, портативные, в том числе и карманные персональные компьютеры. Компания 1-0 Data представила считыватели карт MSRW с интерфейсом USB2 для флэш-карт формата Memory Stick. Габари­ты MSRW 56 х 72 х15,5 мм, вес - 25 г.

Дисковые массивы RAID

В машинах-серверах баз данных и в суперкомпьютерах часто применяются дис­ковые массивы RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks — массив недорогих дисков с избыточностью), в которых несколько запоминающих устройств на жестких дисках объединены в один большой накопитель, обслуживаемый спе­циальным RAID-контроллером. Отличительной особенностью RAID-массивов является то, что в них используются основанные на введении информационной избыточности методы обеспечения достоверности информации, существенно по­вышающие надежность работы системы (при обнаружении искаженной инфор­мации она автоматически корректируется, а неисправный накопитель в режиме Plug and Play замещается исправным).

В качестве концепции компоновки дисковых массивов RAID была впервые пред­ставлена в 1987 году инженерами из калифорнийского университета в Беркли, которые описали пять уровней конфигурации RAID (RAID 1-5). Позже к ним были добавлены RAID 0 и RAID 6.

□ 0-й уровень осуществляет расщепление дисков (disk stripping), записывя дан­ные в виде дорожек поочередно на каждом диске массива без контроля четно­сти. Это единственный уровень, не обеспечивающий устойчивость к отказам;

□ 1-й уровень подразумевает два диска, второй из которых является точной ко­пией (зеркальной) первого. Метод RAID 1 подходит для системных и загру­зочных разделов;

□ 2-й уровень использует несколько дисков специально для хранения контроль­ных сумм и обеспечивает самый сложный функционально и самый эффек­тивный метод исправления ошибок;

□ 3-й уровень включает четыре диска: три являются информационными, а по­следний хранит контрольные суммы, предназначенные для исправления оши­бок в первых трех;

□ 4-й и 5-й уровни используют диски, на каждом из которых хранятся свои соб­ственные контрольные суммы;

□ 6-й уровень — RAID 5, дополненный резервными дисковыми контроллерами, вентиляторами, шинами и др.

Внешние запоминающие устройства

Дисковые массивы второго (RAID6, RAID 7) и третьего (RAID 10, RAID 30, RAID 50) поколений используют различные сочетания базовой компоновки.

Имеется и иная современная классификация RAID-массивов. В частности, они разделены на три группы:

□ FRDS — Failure Resistant Data System, обеспечивающие защиту данных при сбое компонента системы;

□ FTDS — Failure Tolerant Disk System, обеспечивающие непрерывную доступ­ность данных при сбое компонента системы;

□ DTDS — Disaster Tolerant Disk System, гарантирующие доступ к данным даже в случае полного выхода из строя одной из систем, находящейся в ло­кальной территориальной зоне.

Современные дисковые массивы могут объединять 160 и более физических дис­ков любой емкости, формирующих до 320 и более логических дисков; имеют внутренний кэш от 32 до 1000 Мбайт и разъемы для подключения внешних ин­терфейсов типа SCSI или Fibre Channel. Внутренняя шина контроллера имеет пропускную способность 85 Мбайт/с, при использовании Fibre Channel — до 200 Мбайт/с. Информационная емкость дисковых массивов RAID — от 300 до 15 000 Гбайт (типичные параметры: 160 дисков общей емкостью 750 Гбайт). Для сравнения: памяти емкостью 100 Тбайт вполне достаточно, чтобы записать содер­жимое всех хранилищ Российской государственной национальной библиотеки (бывшей Библиотеки им. Ленина), иными словами, 14 млн томов по 1600 стра­ниц в каждом, которые протянулись на 100 км шкафов с 10 полками в каждом. Среднее время наработки на отказ в дисковых массивах RAID — сотни тысяч часов, а для 2-го уровня компоновки — до миллиона часов. В обычных НМД эта величина не превышает тысячи часов.

Основные направления улучшения характеристик НЖМД:

□ использование высокоэффективных дисковых интерфейсов (EIDE, SCSI);

□ использование более совершенных магниторезистивных головок, позволяю­щих увеличить плотность записи и, следовательно, емкость диска и трансфер (без увеличения скорости вращения диска);

□ применение зонной записи, при которой на внешних дорожках диска разме­щается больше данных, чем на внутренних;

□ эффективное кэширование диска.

Накопители на гибких магнитных дисках

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД, флоппи-дисководы, Floppy Disk Drive, FDD)) — устройства, предназначенные для записи и чтения инфор­мации с гибких магнитных дисков (ГМД, дискет). Дискеты позволяют перено­сить документы и программы с одного компьютера на другой, а также хранить данные, не используемые постоянно на компьютере.

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

На гибком магнитном диске магнитный слой наносится на гибкую основу. Ис­пользуемые в ПК ГМД имеют форм-фактор 5,25 дюйма (133 мм) и 3,5 дюйма (89 мм). Емкость ГМД колеблется в пределах от 180 Кбайт до 2,88 Мбайт.

ГМД диаметром 5,25 дюйма помещается в плотный гибкий конверт, а 3,5-дюймо­вый — в пластмассовую кассету для защиты от пыли и механических повреждений.

Конструктивно ГМД диаметром 133 мм изготавливается из гибкого пластика (лавсана), покрытого износоустойчивым ферролаком, и помещается в футляр-конверт. Дискета имеет 2 прорези: центральное отверстие для соединения с дис­ководом и смещенное от центра небольшое отверстие (обычно скрытое футля­ром), определяющее радиус-вектор начала всех дорожек на ГМД. Футляр также имеет несколько прорезей: центральное, чуть больше отверстия на дискете; ши­рокое окно для считывающих и записывающих магнитных головок и боковой вырез в виде прямоугольника, закрытие которого липкой лентой, например, за­щищает диск от записи и стирания информации. Дисководы, поддерживающие 5,25-дюймовые диски, считаются устаревшими, на новые компьютеры не уста­навливаются и сейчас встречаются крайне редко.

ГМД диаметром 89 мм имеет более жесткую конструкцию, тщательнее защищен от внешних воздействий (для предохранения поверхности магнитного слоя от повреждения окно для считывания-записи информации в нерабочем состоянии закрыто пружинящей шторкой), но, в принципе, имеет примерно те же конст­руктивные элементы. Режим запрета записи на этих дисках устанавливается спе­циальным переключателем, расположенным в одном из углов дискеты.

Основные характеристики некоторых типов НГМД приведены в табл. 6.6.

Таблица 6.6. Основные характеристики НГМД
Параметр Типы ГМД

133мм (5,25 дюйма) 89 мм (3,5 дюйма)

В последние годы появились дискеты с тефлоновым покрытием (например Ver­batim Data Life Plus), которое предохраняет магнитный слой и записанную на

Внешние запоминающие устройства

нем информацию от грязи, пыли, воды, жира, отпечатков пальцев и даже от растворителей типа ацетона. Возможная емкость 3,5-дюймового диска Data Life Plus — 2,88 Мбайт. Следует упомянуть и ГМД «Go anywhere», распространяе­мые у нас в стране под названием «Вездеход», — они также обладают стойкостью к различным внешним воздействиям: температуре, влажности, запыленности.

Основными компонентами наиболее распространенного 3,5-дюймового флоппи-дисковода являются: дискетная рама, внутрь которой вставляется диск; шпин­дельный двигатель, обеспечивающий вращение диска с постоянной скоростью 300 оборотов/мин; блок головок с приводом и плата электроники.

Основные функции управления дисководом реализуются встроенным в мате­ринскую плату контроллером FDD. Он осуществляет кодирование информации, поиск дорожек и секторов, синхронизацию, коррекцию ошибок.

Интерфейс дисковода формирует сигналы выбора устройства (интерфейс IDE для IBM PC позволяет подключать к контроллеру до двух устройств FDD), запуска двигателя (двигатель FDD включается только при обращении к диску, в отличие от двигателя HDD, который вращает диск постоянно), перемещения головок на один шаг и т. д.

Запись информации на диск осуществляется методом MFM (Modified Frequency Modulation — модифицированная частотная модуляция).

Стандартный формат ГМД типа HD (High Density — высокая плотность) — 80 дорожек на каждой из сторон, 18 секторов по 512 байтов на дорожке. Уплот­ненный формат — 82 или 84 дорожки, до 20 секторов по 512 байтов или до 11 секторов по 1024 байта. Структура записи данных вдоль дорожки диска пока­зана на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Структура записи на дорожке гибкого диска

Данные содержат служебную и рабочую (данные пользователя) информацию. Служебная информация необходима для синхронизации работы НГМД. Она идентифицирует:

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

Q дорожку и включает домаркерный промежуток (ДМП), маркер начала дорож­ки (МНД), послемаркерный промежуток (ПМП);

□ сектор и включает маркер сектора (МС), дезинформационный промежуток
(ДИП), маркер данных (МД), данные, контрольные коды (КК), послеинфор-
мационный промежуток (ПИП);

Q маркер сектора содержит адресный маркер (AM), адрес дорожки (АД), но­мер стороны дискеты (НС), адрес сектора на дорожке (АС) и контрольные коды (КК).

Все промежутки заполняются нулевыми байтами и используются для создания временных интервалов при чтении-записи, необходимых системе управления. Маркер или метка — это определенный для каждого признака идентифицирую­щий код. Контрольные коды вводятся для проверки достоверности информации на дорожке.

В ПК используются также диски с высокой плотностью записи, для более точно­го позиционирования магнитной головки на поверхности которых используется лазерный луч. По внешнему виду эти диски напоминают 3,5-дюймовые (реже 5,25-дюймовые) диски, но имеют более жесткую конструкцию.

Среди накопителей, использующих такие диски, следует назвать:

□ накопители на флоптических дисках;

□ накопители сверхвысокой плотности записи;

□ дисководы Zip.

Накопители на флоптических дисках

Накопители на флоптических дискахвыполняют обычную магнитную запись информации, но с существенно большей плотностью размещения дорожек на поверхности диска. Такая плотность достигается ввиду наличия на дисках спе­циальных нанесенных лазерным лучом серводорожек, служащих при считыва­нии-записи базой для позиционирования лазерного луча, и, соответственно, маг­нитной головки, жестко связанной с лазером. Емкость флоптических дисков варьируется от 20,8 до 120 Мбайт. Примером такого дисковода может служить LS-120 — дисковод гибких магнитных дисков с лазерным приводом. Он поддержи­вает диски емкостью 120 Мбайт, совместим с флоппи-дисководом (со стан­дартными форматами 1,44 Мбайт). У LS-120 скорость чтения-записи составляет в зависимости от модификации 180-500 Кбайт/с для устройств с IDE- и LPT-интерфейсами. Пиковая скорость для SCSI-варианта может достигать 4 Мбайт/с.

Накопители сверхвысокой плотности записи

Накопители сверхвысокой плотности записи(VHD — Very High Density) исполь­зуют кроме лазерного позиционирования еще и специальные дисководы, обес­печивающие иную технологию записи-считывания: «перпендикулярный» способ записи вместо обычного «продольного». Сейчас выпускаются VHD-диски ем­костью 120-240 Мбайт; фирма Hewlett-Packard объявила о создании диска ем­костью 1000 Мбайт, а фирма IBM — дисков емкостью 8700 Мбайт и 10 800 Мбайт.

Внешние запоминающие устройства-

Дисководы Zip

Самыми распространенными после флоппи-дисководов (FDD) приводами гиб­ких дисков являются дисководы Zip,разработанные фирмой Iomega в 1995 году. Устройства Zip базируются на традиционной технологии магнитных носителей. Запись-чтение и позиционирование головок опираются на магнитные свойства материала пластины диска. Пластина диска Zip является гибкой, подобно носителю обычного флоппи-диска. Устройства Zip используют более совершенную систему позиционирования головок и механику привода, что дало возможность значитель­но увеличить емкость дисков по сравнению с традиционными флоппи-диска­ми. Выпускаются дисководы Zip 100 Мбайт, поддерживающие диски емкостью 100 Мбайт, и Zip 250 Мбайт, которые работают с дисками емкостью 100 Мбайт и 250 Мбайт. Устройства Zip выпускаются с интерфейсами IDE (ATAPI), LPT, SCSI, USB. Дисководы Zip бывают внутренние (internal) и внешние (external). Модели Zip 250 Мбайт с интерфейсами SCSI и ATAPI имеют пиковую скорость передачи данных 2,4 Мбайт/с, остальные — около 1,4 Мбайт/с; среднее время доступа у всех моделей — 29 мс. В комплект поставки устройства Zip входит спе­циализированное программное обеспечение — набор утилит IomegaWare. К основ­ным достоинствам устройств Zip относятся относительно высокое быстродейст­вие, простота установки и эксплуатации, хорошее программное обеспечение. Недостатками устройств Zip являются несовместимость с обычными флоппи-дис­ководами, температурная нестабильность дисков и невысокая надежность (при неисправности дисковода и при неправильной записи на диск головки дисково­да издают щелчки, приводящие к потере данных и повреждению диска).

Форматирование дисков и правила обращения с ними

Каждый новый диск в начале работы с ним следует отформатировать. Формати­рование диска — это создание структуры записи информации на ее поверхности: разметка дорожек, секторов, запись маркеров и другой служебной информации. Возможный вариант форматирования зависит от типа диска:

□ SS/SD — односторонняя (single sides), одинарной плотности (single density);

□ SS/DD — односторонняя, двойной плотности (double density);

□ DS/SD — двухсторонняя (double sides), одинарной плотности;

□ DS/DD — двухсторонняя, двойной плотности;

□ DS/HD — двухсторонняя, высокой плотности (high density), обеспечивающая максимальную емкость.

Необходимо соблюдать определенные правила обращения с диском:

□ не сгибать его;

□ не прикасаться руками к магнитному покрытию;

□ не подвергать диск воздействию магнитных полей;

□ нужно хранить диск в бумажном конверте при положительной температуре;

□ надписи на приклеенной этикетке следует делать без нажима карандашом;

□ брать диск за один угол защитного конверта;

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

□ нельзя мыть диск;

□ нужно извлекать диск перед выключением ПК;

□ вставлять и вынимать диск из дисковода только тогда, когда не горит сиг­нальная лампочка активности дисковода.

Накопители на оптических дисках

Появившийся в 1982 году благодаря фирмам Philips и Sony оптический компакт-диск произвел кардинальный переворот в области персональных компьютеров и индустрии развлечений. Компакт-диски расширили сферу применения инфор­мационных технологий. На сегодняшний день компакт-диск — недорогой, массо­во воспроизводимый, надежный, одним словом, лучший носитель для звуковых записей, компьютерных игр и мультимедийных программ, установочных пакетов и наборов фотографий.

Сегодня накопители на оптических дисках (НОД) — обязательный атрибут лю­бого персонального компьютера. Большая их емкость в сочетании с весьма высо­кой надежностью и невысокой стоимостью как дисководов, так и дисков, делает НОД незаменимыми для сохранения и распространения программ (установоч­ных пакетов), а также для долговременного хранения больших объемов инфор­мации, баз данных, например. Основными достоинствами НОД являются:

□ сменяемость и компактность носителей;

□ большая информационная емкость;

□ высокая надежность и долговечность дисков и головок чтения-записи (до 50 лет);

□ меньшая (по сравнению с НМД) чувствительность к загрязнениям и вибра­циям;

□ нечувствительность к электромагнитным полям.
Оптические накопители выпускаются в нескольких модификациях.

1. Классические компакт-диски:

О CD-ROM— Compact Disk Read Only Memory, неперезаписываемые лазер-но-оптические диски или компакт-диски ПЗУ;

О CD-R— Compact Disk Recordable, компакт-диски с однократной записью (их иногда называют также CD-WORM — CD Write Once, Read Many и CD-WO - CD Write Once);

О CD-RW— CD Rewritable, компакт-диски перезаписываемые, с многократ­ной записью (их раньше называли CD-E — CD Erasable — стираемые).

2. Цифровые универсальныедиски:

О DVD-ROM— Digital Versatile Disk Read Only Memory, неперезаписывае­мые цифровые универсальные диски;

О DVD-R— DVD Recordable, цифровые универсальные диски с однократ­ной записью;

О DVD-RW- DVD Rewritable или DVD-RAM - DVD Read Access Memory, цифровые перезаписываемые универсальные диски.

Внешние запоминающие устройства

Неперезаписываемые лазерно-оптические диски CD-ROM

Массовое распространение получили CD-ROM. Компакт-диск представляет со­бой пластиковый поликарбонатовый круг диаметром 4,72 дюйма (встречаются компакт-диски и диаметром 3,5; 5,25; 12 и 14 дюймов) и толщиной 0,05 дюйма, с отверстием в центре диаметром 0,6 дюйма и имеет двухслойное покрытие: тончайший отражающий металлический (обычно алюминиевый) слой и лаковое покрытие. Эти диски поставляются фирмой-изготовителем с уже записанной на них информацией (в частности, с программным обеспечением). Запись инфор­мации на них возможна только вне ПК, в лабораторных условиях, лазерным лучом большой мощности, который оставляет на поликарбонатной основе CD след — дорожку с микроскопическими впадинами (питами, pits). Питы имеют ширину около 0,5 микрон и следуют друг за другом, образуя единую спиральную дорожку с шагом 1,6 микрона (для сравнения: тонкий человеческий волос имеет диаметр 75 микрон). Каждый пит в зависимости от своей длины может кодиро­вать несколько битов информации. Таким образом создается первичный «мас­тер-диск». Процесс массового тиражирования CD-ROM по «мастер-диску» вы­полняется путем литья под давлением.

Дорожка на CD, в отличие от магнитных дисков, спиральная и очень узкая; Впа­дины имеют глубину примерно 5 миллиардных долей дюйма и ширину в 24 мил­лиардные доли дюйма; плотность дорожек — 16 000 дорожек на дюйм. Длина всей спиральной дорожки около 5 км. В оптическом дисководе ПК информация с дорожки читается лазерным лучом существенно меньшей мощности. Лазерный луч фокусируется на дорожке диска и отражается от выпуклостей питов, меняя свою интенсивность. Отраженный луч улавливается фотоприемником (фото­диодом) оптической читающей головки.

CD-ROM ввиду весьма плотной записи информации имеют емкость от 250 Мбайт до 1,5 Гбайт (наиболее распространенная емкость 650 Мбайт), время доступа (access time) в разных оптических дисках колеблется от 50 до 350 мс, скорость считывания информации — от 150 до 6000 Кбайт/с. Приводы CD-ROM сущест­венно отличаются по скорости передачи данных. Она зависит от двух факто­ров: плотности записи информации на поверхности диска и скорости вращения диска. Последняя является параметром, указываемым в марке дисковода в виде Nx-коэффициента кратности (data-transfer rate), сообщающего, во сколько раз ли­нейная скорость дисковода превышает так называемую «единичную» скорость, равную 150 Кбайт/с. Сейчас имеются модели с любыми четными значениями этого коэффициента от двух (2х) до 56 (56х), последние обеспечивают транс­фер более 6 Мбайт/с. Следует заметить, что прямой линейной зависимости меж­ду коэффициентом кратности и трансфером нет, например реальная скорость CD-ROM с кратностью 50х оказывается обычно намного ниже теоретической — часто соответствующей 40х. Дисководы CD-ROM менее чем с двадцатикратным увеличением скорости не позволят качественно реализовать многие современ­ные технологии мультимедиа, да и многие программные приложения вообще, поэтому они сейчас не выпускаются.

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

Дисковод обеспечивает считывание информации «из глубины» диска, для этого лазер фокусируется не на внешней поверхности, а непосредственно на инфор­мационном слое. Грязь и царапины на покрытии, таким образом, оказываются не в фокусе и до определенного предела игнорируются. Кроме того, для обеспе­чения надежной работы информация на компакт-дисках кодируется с боль­шой избыточностью с использованием корректирующего кода Рида-Соломона (Reed-Solomon code), обеспечивающего возможность восстановления исходной информации при значительном числе ошибок ее считывания.

К первым, не очень скоростным накопителям предъявлялось требование обеспе­чения минимальной постоянной линейной скорости считывания данных: CD используются для хранения аудио- и видеоинформации, а для нормального про­слушивания аудиоданных она должна быть не менее 150 Кбайт/с. Это обуслав­ливало переменную угловую скорость. При считывании информации с внутрен­ней части диска она должна быть 500 оборотов/мин, против 200 оборотов/мин при считывании с внешней, то есть должна меняться в 2,5 раза. Таким образом, для обеспечения быстрого переключения между областями диска двигатель дол­жен обладать хорошей динамикой. Скоростные CD-ROM, начиная с коэффициен­та кратности 12х, обеспечивают трафик нужной минимальной величины в любом месте диска даже при постоянной угловой скорости вращения. Поэтому совре­менные высокоскоростные накопители имеют постоянную угловую скорость и, тем самым, непостоянную линейную.

Таким образом, в низкоскоростных накопителях при считывании (записи) угло­вая скорость меняется в зависимости от местонахождения считываемого (запи­сываемого) участка дорожки с целью обеспечить постоянную линейную скорость носителя под головкой — этим обуславливается возможность работы с постоян­ной оптимальной плотностью записываемых данных и высокая емкость дисков. Высокоскоростные устройства лишены этой благоприятной особенности, но вы­сокая емкость дисков обеспечивается в них иными технологическими приемами, в частности, благодаря внедрению технологии CAV (Constant Angular Velocity — постоянная угловая скорость). В этом режиме частота оборотов диска остается постоянной, соответственно на периферийных участках данные считываются с большей скоростью (4-7,8 Мбайт/с). Средняя скорость считывания при этом гораздо ближе к минимальным значениям, поскольку запись на диске начинает­ся с внутренних областей.

При выполнении реальных задач разница в производительности приводов, имею­щих скорости в диапазоне 24х-50х, для пользователя практически не ощутима и может быть измерена только специальными тестами. Более скоростные приво­ды обладают преимуществом лишь в случае считывания большого объема непре­рывно расположенных данных, например, при установке программного обеспе­чения. В настоящее время максимальная достигнутая скорость составляет 56х, то есть примерно 8000 Кбайт/с. Эта величина соответствует частоте вращения 12 000 оборотов/мин. На таких скоростях начинают сильно сказываться дефекты производства дисков — искажения геометрии, неравномерность массы. Чтобы уменьшить паразитные биения, производители прибегают к различным ухищре-

Внешние запоминающие устройства

ниям, например оборудуют приводы CD-ROM специальными демпфирующими устройствами.

Следует отметить, что большинство дисководов способно автоматически сни­жать скорость вращения при появлении большого количества ошибок считыва­ния данных (и не все модели, кстати, способны в дальнейшем при уменьшении числа ошибок ее повышать). Номинальная же скорость, указываемая на диско­воде, определяется на эталонном, безошибочном диске, не требующем снижения оборотов. Снижение скорости частично компенсируется наличием в устройствах большого кэша, который, кроме того, хорошо помогает при работе с большим ко­личеством мелких файлов, требующим многократного позиционирования голов­ки считывания-записи. Размер внутренней кэш-памяти, в который считываюгся данные перед их передачей, в современных накопителях достигает 1 Мбайт, но удовлетворительной величиной является и кэш емкостью 128 Кбайт.

Устройство позиционирования оптической системы ориентируется на специаль­ные метки диска и не требует прецизионной механики, что делает это весьма вы­сокотехнологичное устройство достаточно дешевым в производстве. Изначально приводы CD-ROM имели свой интерфейс, обычно устанавливаемый на звуко­вой карте, и умели работать только с ним. Современные дисководы CD-ROM имеют IDE-ATAPI или SCSI-интерфейсы и могут подключаться непосредственно к разъему на материнской плате как IDE- или SCSI-устройства. IDE-ATAPI — более распространенный интерфейс. Большинство современных приводов CD-ROM с данным интерфейсом поддерживает протокол Ultra DMA/33 (UDMA), имеющий скорость передачи 33 Мбайт/с. SCSI-интерфейс обеспечивает скоро­сти передачи данных до 80 Мбайт/с (для спецификации SCSI-3) и подключение максимум до 16 устройств. Область применения дисководов CD-ROM с интер­фейсом SCSI — графические станции, серверы и другие мощные системы. Пока только SCSI способен поддержать надежное функционирование систем с подклю­чением нескольких дисководов CD-ROM и их работу в многозадачном режиме.

Типовой дисковод состоит из блока электроники, шпиндельного двигателя, систе­мы оптической считывающей.головки и системы загрузки диска. В блоке электро­ники размещены все управляющие схемы привода, интерфейс с контроллером компьютера, разъемы интерфейса и выхода звукового сигнала. Шпиндельный двигатель служит для приведения диска во вращение с постоянной или перемен­ной угловой скоростью. Система оптической головки включает в себя саму голов­ку и устройства ее перемещения. В головке размещены лазерный излучатель на основе инфракрасного лазерного светодиода, система фокусировки, фотоприем­ник и предварительный усилитель. Лазер имеет длину волны 780 нанометров.

Конструкции дисководов предусматривают возможность загрузки как одного, так одновременно и нескольких компакт-дисков. Последний вариант иногда бо­лее удобен, но рекомендовать его безоговорочно нельзя: часто в этом случае сни­жается качество воспроизведения записи и надежность устройства.

Наконец, нужно иметь в виду, что все современные модели CD-ROM позволяют качественно воспроизводить и музыкальные записи. Для этого следует устано­вить в ПК необходимые драйверы (при работе в среде MS DOS, например, это

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

специальная постоянно находящаяся в памяти (резидентная — TSR) программа; при работе под Windows — драйвер CD Audio). В ряде моделей есть кнопка Play для запуска проигрывания аудиодисков. Чаще эта кнопка является двухфунк-циональной (например, Play /Next) и служит также для перехода между звуко­выми дорожками. Другая кнопка, Eject, при проигрывании аудиодисков обычно используется для остановки проигрывания без выбрасывания диска. В обычном режиме кнопка Eject служит для загрузки-выгрузки диска. Слушать диски мож­но как через выход для наушников на передней панели CD-ROM, так и через внешнюю акустическую систему. В последнем случае необходима звуковая кар­та с усилителем.

Оптические диски с однократной записью

Накопители CD-R позволяют однократно записывать информацию на диски с форм-фактором 4,72 и 3,5 дюйма. Для записи используются специальные заго­товки дисков, иногда называемые мишенями (target). На поверхность заготовок нанесено три слоя покрытия: непосредственно на основу диска из поликарбона­та нанесен активный (регистрирующий) слой из пластика (с одним из четырех типов красителей: металлоазот — Metal AZO¹ — торговая марка Verbatim, цианин (cyanine), фталоцианин (phtalocyanine) или наиболее перспективный формазан — смесь цианина и фталоцианина); активный слой покрыт тончайшей отражающей пленкой из золота (использовалась в первых моделях, а сейчас в особо надежных моделях) или серебра (дешевле и обладает лучшим светоотражением); сверху все полито слоем защитного лака. Заготовки также имеют нанесенную спираль­ную дорожку, на которой позиционируется записывающая головка.

При записи лазерный луч непосредственно в дисководе компьютера прожигает необратимые микроскопические углубления — питы (pits) — в активном слое. Ввиду разницы отражения от ямок и от не выжженных участков поверхности при считывании происходит модуляция интенсивности отраженного луча, восприни­маемого головкой чтения. Запись в современных CD-R может выполняться на скорости до 12х. Чтение производится лазерным лучом так же, как и у CD-ROM. Дисководы CD-R совместимы с обычными CD-ROM, естественно, при совпаде­нии формата диска.

Оптические диски с многократной записью

Накопители CD-RW позволяют многократно записывать информацию на диски с отражающей поверхностью, под которую нанесен слой типа Ag-In-Sb-Te (со­держащий серебро, индий, сурьму, теллур) с изменяемой фазой состояния. Фаза этого пластика, кристаллическая или аморфная, изменяется в зависимости от ско­рости остывания после разогрева поверхности лазерным лучом в процессе запи­си, выполняемой непосредственно в дисководе ПК. При медленном остывании пластик переходит в кристаллическое состояние и информация стирается (запи­сывается «О»); при быстром остывании (если разогрета только микроскопиче-

¹ В новых носителях Verbatim использовано покрытие Advanced AZO от Mitsubishi Chemical Media (родительской компании Verbatim) — доработанная версия Metal AZO.

Внешние запоминающие устройства

екая точка) элементик пластика переходит в аморфное состояние (записывается «1»). Ввиду разницы коэффициентов отражения от кристаллических и аморф­ных микроскопических точек активного слоя при считывании происходит мо­дуляция интенсивности отраженного луча, воспринимаемого головкой чтения.

Лучшие образцы дисков CD-RW выдерживают несколько сотен циклов переза­писи. Коэффициент кратности скорости при записи информации у современных моделей не превосходит 10х. Читать CD-RW могут только высокочувствитель­ные дисководы (чтение записи выполняется лазерным лучом), поскольку отра­женный луч у них значительно слабее (отражающая способность их активного слоя составляет 25-30% от уровня обычного CD), нежели у CD-ROM и CD-R. Перезаписываемые диски целесообразно использовать для хранения больших объемов обновляющихся данных (например, для создания резервных копий важной информации) и для обмена данными с другими ПК.

Цифровые диски DVD

Настоящий переворот в технике внешних запоминающих устройств готовы совер­шить новые, впервые появившиеся в 1996 году цифровые видеодиски, имеющие габариты обычных CD-ROM, но значительно большей емкости, которая у них достигает 24 Гбайт.

Следует отметить, что консорциум 10 фирм, стоящих у истоков разработки DVD (теперь этот консорциум именуется DVD Forum), решил с целью защиты этих дисков от несанкционированного копирования ввести «антипиратское» регио­нальное кодирование информации на DVD. Такое кодирование позволило бы выпускать разные DVD для разных частей света и даже для отдельных стран: весь мир поделен на 6 зон — к 1-й зоне отнесены США и Япония; Россия, Индия и Африка отнесены к 5-й зоне. Но практика показала, что в России находится в обращении масса пиратских приводов и дисков DVD, закодированных для первой зоны. Даже больше: существуют и так называемые приводы Zone-Free, то есть приводы, работающие с дисками, закодированными для любой зоны.

DVD — Digital Versatile Disk, цифровой универсальный диск (иногда его назы­вают Digital Video Disk, цифровой видеодиск). Физически DVD-диск — это тот же привычный диск диаметром 4,72 дюйма (существует стандарт также на 3,5 дюйма) и толщиной 0,05 дюйма. Так же как и компакт-диск, он не изнашива­ется (или почти не изнашивается) со временем, не чувствителен к магнитному и инфракрасному излучениям и мало чувствителен к повышенным температурам.

Но в DVD используются однослойная и двухслойная, односторонняя и двух­сторонняя уплотненная запись. Уплотнение записи данных на DVD было до­стигнуто путем уменьшения диаметра пишущего-читающего луча (зелено-голу­бой лазер) в два раза, при этом уменьшаются сами точки (питы), сокращается расстояние между соседними точками на дорожке и увеличивается количество дорожек. Только за счет повышения плотности записи удалось достичь более чем четырехкратного роста емкости. А за счет других ресурсов, таких как большая область данных, более эффективная битовая модуляция каналов, более эффектив­ное исправление ошибок, меньшее перекрытие секторов, емкость по сравнению

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

с CD увеличилась в семь раз: стандартный однослойный односторонний диск DVD может хранить 4,7 Гбайт данных, двухслойный накопитель имеет емкость в 8,5 Гбайт (относительное уменьшение емкости по сравнению с двухкратной однослойной связано с необходимостью снижения помех, наводимых верхним слоем при считываний нижнего).

Кроме увеличения физической плотности размещения информации на диске, про­изошли изменения и в способах ее представления. Дело в том, что комбинация нулей и единиц двоичного кода записывается на носитель не в виде точек на ровной поверхности, а в виде выемок различной длины, преобразуемых уже сис­темой демодуляции в определенное количество единиц или нулей. Использовав­шаяся в CD EFM-модуляция (Eight-To-Fourteen Modulation, модуляция 8/14) была признана устаревшей, и ей на смену пришел несколько модифицированный алгоритм EFM Plus. Опуская подробности, отметим лишь, что подобная модуля­ция, помимо большей устойчивости к сбоям, дает дополнительный бит экономии на каждые 2 байта информации. Использующийся при этом метод коррекции ошибок (код Рида-Соломона) дает, по некоторым оценкам, десятикратное увели­чение надежности, что немаловажно при том же десятикратном увеличении емко­сти и потока данных. Данные на дисках DVD организованы иначе, чем на CD. У обычных дисков все данные находятся на одной непрерывной дорожке, в то время как у DVD информация делится на два типа: навигационную и содержа­тельную.

Скорость чтения у DVD лежит в пределах 1,4-14 Мбайт/с. Наличие более слож­ной оптической системы замедляет время доступа к нужной информации на диске от 100 мс у современных CD-ROM до 170 мс — у DVD-ROM. Ситуацию, впро­чем, несколько выправляет наращенный до 512 Кбайт кэш, сохраняющий теперь больше считанной в процессе работы информации.

Сегодня, согласно договору между членами DVD Forum, распространены сле­дующие типы DVD:

□ DVD-5 (4,72", односторонний диск с одним Слоем записи — подобие односто­роннего CD-ROM, но с уплотненной записью) — 4,7 Гбайт;

□ DVD-9 (4,72", односторонний диск с двумя слоями записи; верхний слой по­лупрозрачный для лазерного луча, а считывание с нижнего слоя выполняется вторым лазером с отличной от первого длиной волны) — 8,5 Гбайт;

□ DVD-10 (4,72", двухсторонний диск с одним слоем записи) — 9,4 Гбайт;

□ DVD-18 (4,72", двухсторонний диск с двумя слоями записи) — 17 Гбайт;

□ DVD-1 (3,5", односторонний однослойный) — 1,4 Гбайт;

□ DVD-2 (3,5", односторонний двухслойный) — 2,7 Гбайт;

□ DVD-3 (3,5", двухсторонний однослойный) — 2,9 Гбайт;

□ DVD-4 (3,5", двухсторонний двухслойный) — 5,3 Гбайт;

□ DVD-R (4,72", односторонний однослойный) — 3,95 Гбайт;

□ DVD-R (4,72", двухсторонний однослойный) — 7,9 Гбайт;

□ DVD-R (3,5", односторонний однослойный) — 1,23 Гбайт;

□ DVD-R (3,5", двухсторонний однослойный) — 2,46 Гбайт;

Внешние запоминающие устройства

□ DVD-RAM (4,72", односторонний однослойный) — 2,58 Гбайт;

□ DVD-RAM (4,72", двухсторонний однослойный) — 5,16 Гбайт.

Реально на рынке представлены DVD четырех типов: 5, 9, 10 и 18.

Фирма Sony, нарушив договор, заключенный между членами DVD Forum, выпус­тила двухсторонний, двухслойный DVD с голубым лазером емкостью 24 Гбайт.

Самый простой тип записываемого DVD — это DVD-R, который предусматрива­ет однократную запись информации на носитель с последующим многократным чтением. В DVD-R используется органическая полимерная технология, в основ­ном подобная применяемой в CD-R, и этот формат совместим практически со всеми дисководами DVD. На сегодняшний день емкость подобных дисков еще не достигла значений, присущих DVD-ROM, однако принципиальных проблем нет, и в обозримом будущем емкости сравняются. Во всяком случае, формат 4,7 Гбайт DVD-R уже объявлен фирмами Matsushita, Mitsubishi и Hitachi (Maxell).

Среди перезаписываемых DVD сегодня конкурируют два равновесомых форма­та — DVD-RAM и DVD-RW. Первый формат, продвигаемый фирмами Hitachi, Matsushita и Toshiba, поддержан большинством членов DVD Forum (конвенции фирм, стоящих у истоков создания DVD) и, таким образом, официально одоб­рен. Второй продвигается компаниями Hewlett-Packard, Philips, Ricoh и Sony.

В основе обоих стандартов лежит одна и та же технология изменения фазы. Диск покрыт слоем специального материала, который может находиться в аморф­ном или кристаллическом состоянии. При этом светоотражающая способность материала в разных фазах различается примерно на 20%, что позволяет кодиро­вать информацию. Основное различие стандартов в том, каким образом головка накопителя считывает данные с диска. В устройствах DVD-RAM считывающую головку необходимо переключать между режимами чтения канавки и площадки (пространства между канавками) при каждом обороте диска, в то время как в на­копителях DVD-RW информация считывается только с канавки диска так же, как это делается в стандартных дисководах для чтения DVD-ROM.

Существуют и другие форматы перезаписываемых DVD-дисков. Это ASMO (ра­нее М07), способный хранить до 6 Гбайт данных, и MMVF (MultiMedia Video Format) фирмы NEC с емкостью в 5,5 Гбайт. Оба типа дисководов способны читать DVD-ROM и DVD-R, однако несовместимы ни с DVD-RAM, ни с DVD-RW. Ассоциация OSTA (Optical Storage Technology Association, Ассоциация тех­нологий оптических накопителей) разрабатывает спецификацию совместимости DVD — Read Compatibility Specification, которая в идеале будет поддерживать все типы компакт-дисков, в том числе аудиодиски, CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-ROM, DVD-R, а также (!) DVD-RAM и DVD-RW.

Основные достоинства DVD:

□ значительно большая по сравнению с CD емкость. В частности, достаточная для хранения полнометражного фильма самого высокого качества;

□ совместимость с CD. Устройства DVD-ROM смогут считывать существую­щие библиотеки данных на CD-ROM;

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

□ высокая скорость обмена данными с дисководом DVD;

□ высокая надежность хранения данных.

Диски DVD по прогнозам должны в ближайшее время получить широкое распро­странение не только в компьютерах, но и в аудио- и видеомагнитофонах. В част­ности, для хранения одного часа усредненного видеофильма требуется прибли­зительно два гигабайта данных. Но реальное вытеснение на рынке дисками DVD дисков CD начнется не ранее 2002 года. Основными локальными интерфейсами для DVD являются интерфейсы IDE-ATAPI, SCSI, USB, Serial ATA.

Для маркировки скоростных характеристик накопителей на оптических дисках часто используется скоростная формула.

В частности, для CD-накопителей она выглядит так: KxMxNx, где: Кх — крат­ность скорости записи на CD-R; Мх — кратность скорости записи на CD-RW; Nx — кратность скорости чтения.

В последние годы стали популярными комбинированные приводы, объединяю­щие накопители CD и DVD. Скоростная формула комбо-привода выглядит так: LxKxMxNx, где: 1х — кратность скорости чтения DVD; К* — кратность скорости записи на CD-R; Мх — кратность скорости записи на CD-RW; Nx — кратность скорости чтения CD.

Однократная скорость для CD равна 150 Кбайт/с, а для DVD — 1350 Кбайт/с.

Например, формула скорости комбинированного привода 8х 12х8х32х означает: скорость чтения DVD 10 800 Кбайт/с; скорость записи на CD-R 1800 Кбайт/с; скорость записи на CD-RW 1200 Кбайт/с; скорость чтения CD — 4800 Кбайт/с.

Фирма Hitachi в 2003 году объявила о новой технологии изготовления многослой­ных CD, позволяющей на одном диске формата 7,2 дюйма разместить 1 Тбайт = = 1024 Гбайт информации. На диске можно создать до 100 слоев толщиной 0,3 мкм (толщина слоя у DVD — 25 мкм). Ослабление сигнала при работе с внутренними слоями незначительное. «Прозрачность» слоев обеспечивается использованием специальных материалов с изменяемой прозрачностью под действием внешнего электрического сигнала (некоторая аналогия с жидкими кристаллами).

Накопители на магнитооптических дисках

Принцип работы магнитооптического накопителя (Magneto Optical) основан на использовании двух технологий — лазерной и магнитной. Запись информации осуществляется на магнитном носителе, а оптический лазерный луч использует­ся для местного разогрева точки магнитной поверхности. Сущность процессов записи-считывания обусловлена следующим. Активный слой на поверхности магнитооптического диска может быть перемагничен магнитной головкой только при высокой температуре. Такая температура (сотни градусов) создается лазер­ным импульсом длительностью порядка 0,1 мс. При считывании информации вектор поляризации отраженного от поверхности диска лазерного луча на не­сколько градусов изменяет свое направление в зависимости от направления на­магниченности элемента активного слоя. Изменение направления поляризации и воспринимается соответствующим датчиком.

Внешние запоминающие устройства

Существуют два типа магнитооптических накопителей:

Q с однократной записью, стандарта CC-WORM (Write Once Read Many);

Q перезаписываемые СС-Е (Continuous Composite Erasable) стандарта LIMDOW (Light Intensity Modulation/Direct Overwrite).

К основным недостаткам стандартной магнитооптической технологии относится, прежде всего, низкая скорость перезаписи, поскольку данный процесс требует осуществления трех циклов — стирания старых данных, записи новых и проверки. Для уменьшения времени перезаписи цикл проверки, как правило, пропускает­ся. Чтобы еще более увеличить скорость перезаписи, была разработана специфи­кация Overwrite, которая исключает цикл стирания. Диски стандарта LIMDOW совместимы с этой спецификацией и, таким образом, позволяют повысить суммар­ное быстродействие.

В магнитооптических накопителях С С-WORM для предотвращения стирания •и повторной записи информации на диск на контрольные дорожки наносятся специальные метки.

Магнитооптические накопители имеют два типоразмера: 3,5 и 5,25 дюйма. Маг­нитооптические диски форм-фактора 5,25 дюйма могут иметь следующие емко­сти: 650 Мбайт, 1,3 Гбайт, 2,6 Гбайт, 4,6 Гбайт и 5,2 Гбайт. Эти диски являются двухсторонними, то есть запись производится на обе поверхности. В результате общая емкость диска складывается из емкостей двух поверхностей. Магнито­оптические диски форм-фактора 3,5 дюйма поддерживают следующие емкости: 128 Мбайт, 230 Мбайт, 540 Мбайт, 640 Мбайт и 1,3 Гбайт; эти диски являются односторонними.

Время доступа у магнитооптических накопителей находится в пределах от 50 до 150 мс, скорость считывания до 3000 Кбайт/с. Магнитооптические накопители в ПК могут быть внутренними и внешними, последние предпочтительнее ввиду значительного тепловыделения. Магнитооптические диски позволяют перено­сить большие объемы данных и отличаются высокой степенью надежности. Однако в силу относительно высокой стоимости дисководов и дисков их об­ласть применения ограничена профессиональными системами обработки графи­ки, видеомонтажа, верстки и т. п., когда требуются накопление больших объемов данных и обмен ими. Магнитооптические накопители также используются для решения задач резервного копирования. Большинство магнитооптических нако­пителей имеют интерфейс SCSI.

Накопители на магнитной ленте

Накопители на магнитной ленте были первыми ВЗУ вычислительных машин.

В универсальных компьютерах широко использовались и используются накопи­тели на бобинной магнитной ленте (НМЛ), а в персональных компьютерах — накопители на кассетной магнитной ленте (НКМЛ). Кассеты с магнитной лен­той (картриджи) весьма разнообразны: они отличаются как шириной применяе­мой магнитной ленты, так и конструкцией.

Глава 6. Запоминающие устройства ПК

Лентопротяжные механизмы для кассет носят название стримеров — это инер­ционные механизмы, требующие после каждой остановки ленты ее небольшой перемотки назад (перепозиционирования). Такое перепозиционирование увели­чивает и без того большое время доступа к информации на ленте (десятки секунд), поэтому стримеры нашли применение в персональных компьютерах лишь для резервного копирования и архивирования информации с жестких дисков и в иг­ровых компьютерах для хранения пакетов игровых программ.

Объемы хранимой на одной кассете информации постоянно растут. Так, емкость картриджей первого поколения, содержащих магнитную ленту длиной 120 м, шириной 3,81 мм с 2-4 дорожками, не превышала 25 Мбайт. В конце 80-х годов появились картриджи с большей плотностью записи на ленте шириной четверть дюйма (Quarter Inch Cartridge) (стандарты QIC — 40/80); первые такие картрид­жи были выпущены фирмой ЗМ — кассеты DC300, емкостью 60-250 Мбайт (по­этому этот стандарт часто называют стандартом ЗМ). Последние модели картрид-, жей (стандарт QIC 3010-3020) имеют емкость 340 Мбайт, 680 Мбайт и даже 840-1700 Мбайт и более (стандарт QIC 3010-3020 Wide, увеличивший ширину магнитной ленты до 0,315 дюйма).

В стандарте Travan используются также 0,315-дюймовые ленты с емкостью кар­триджа 400-4000 Мбайт; в DAT-стримерах (Digital Audio Tape) работает техноло­гия спирального сканирования, обеспечивающая очень высокую плотность записи и емкость картриджа до 8 Гбайт. Наконец, наиболее высокие надежность, скорость считывания-записи и емкость картриджа (до 35 Гбайт) обеспечивают стримеры в стандарте DLT (Digital Linear Tape). Стримеры, как правило, имеют собствен­ные средства сжатия данных, поддерживающие столь высокие емкости кар­триджей. Анонсированы, например, картриджи емкостью 80 и более гигабайтов.

Первый НМЛ Model 726 был выпущен фирмой IBM в 1952 году и имел емкость всего 1,4 Мбайт. В мае 2002 года фирма IBM анонсировала картриджи емкостью

1 Тбайт (это примерно в 10 000 раз больше, чем может за всю жизнь сохранить
человеческий мозг).

Скорость считывания информации с магнитной ленты в стримерах также не высока и обычно составляет от 100 до 500 Кбайт/с. НКМЛ рассчитаны на пе­риферийные интерфейсы IDE-ATAPI и SCSI. В качестве стримера может быть использован и бытовой видеомагнитофон. Для этого необходимо видеомагни­тофон подключить к шине ISA ПК через интерфейсную плату «АрВид» (выпус­каемую в России). Эта плата поддерживает на ленте многоуровневую иерархиче­скую систему файлов с каталогами и имеет дружественный для пользователя интерфейс в стиле ОС с текстовыми меню (см. раздел «Операционные системы ПК» главы 10). Емкость стандартной видеокассеты составляет при этом от 1 до

Гбайт.

ПРИМЕЧАНИЕ-----------------------------------------------------------------------------------------------------

НМЛ обеспечивают самую меньшую стоимость хранения информации: примерно $1 за 1 Гбайт, у дисков этот показатель равен $8—10, а у флэш-карт достигает $100.

Вопросы для самопроверки

Вопросы для самопроверки

Приведите классификацию запоминающих устройств ПК и дайте краткую характеристику отдельных классов.

2. Что такое и где используется статическая оперативная память, динамическая оперативная память?

Поясните назначение и классификацию кэш-памяти компьютера.