Из-за зависимости от питания (обнуляется при отключении питания) и ограниченного размера оперативной памяти компьютера большинство машин снабжены устройствами хранения данных (mass storage system), которые включают в себя магнитные диски, компакт-диски и магнитные ленты. Основными отличиями устройств хранения данных от оперативной памяти являются их независимость от питания, большая емкость и, в большинстве случаев, автономность, то есть возможность перемещать запоминающую среду независимо от компьютера, что удобно для создания архивов.
Термины неавтономный и автономный часто применяются для описания отношения между устройством и компьютером. Неавтономное устройство означает, что устройство или информация присоединены и доступны для машины без вмешательства человека. Автономное же означает, что требуется вмешательство человека для того, чтобы устройство или информация могли быть доступны для машины, возможно, потому что устройство нужно включить или носитель информации должен быть вставлен в какой-либо механизм.
Главным недостатком устройств хранения данных является то, что они требуют механического движения и, следовательно, обладают большим временем отклика по сравнению с оперативной памятью машины, которая является электронной.
Одним из наиболее распространенных запоминающих устройств сегодня является магнитный диск (magnetic disk), в котором тонкий вращающийся диск с магнитным покрытием используется как носитель информации. Головки чтения/записи располагаются над и/или под диском, так что, когда диск вращается, каждая головка очерчивает кольцо на верхней или нижней поверхности диска, называемое дорожкой (track). При различном положении головок чтения/записи осуществляется доступ к различным дорожкам. В большинстве случаев запоминающая система состоит из нескольких дисков, установленных на общем шпинделе, один над другим на расстоянии, достаточном для прохождения между ними головок чтения/записи. Каждый раз, когда положение головок чтения/записи меняется, становится доступным новый набор дорожек, который называется цилиндром (cylinder).
Так как дорожка может содержать больше информации, чем нам необходимо, каждая из них разделена на дуги, которые называются секторами (sectors) и на которые информация записывается в виде непрерывной последовательности битов (рис. 1). Каждая дорожка в накопителе на дисках содержит одинаковое количество секторов, и каждый сектор содержит одинаковое количество битов (это означает, что биты в секторе хранятся более компактно на дорожках, расположенных ближе к центру диска, чем на дорожках, расположенных ближе к краю).
Рисунок 1 – Запоминающая система диска
Таким образом, запоминающая система диска состоит из отдельных секторов, каждый из которых содержит независимую последовательность битов. Число дорожек и секторов на дорожке различается в зависимости от накопителя. Размер сектора обычно не больше нескольких килобайтов, общепринятыми являются секторы размером 512 или 1024 байта.
Расположение дорожек и секторов не является постоянной частью физической структуры диска, они размечаются в процессе форматирования (formatting) (или инициализации) диска. Обычно эта процедура выполняется производителями дисков, и мы получаем уже отформатированный диск. Большинство компьютерных систем также могут выполнять эту задачу. Следовательно, если информация о форматировании на диске повреждена, диск можно переформатировать, хотя это приведет к потере всей информации, записанной на диск раньше.
Емкость накопителя на дисках зависит от числа используемых дисков 1 и плотности расположения дорожек и секторов. Системы малой емкости состоят из одного пластмассового диска (покрытого с двух сторон тонким слоем специального магнитного материала), известного как дискеты, а также гибкие диски, или флоппи (floppy disk, или FDD). Их гибкость очень наглядно проявлялась у старых носителей диаметром 5'/4 дюйма и более, помещавшихся в бумажные конверты, и менее очевидна у современных дисков диаметром 3'/2 дюйма, помещаемых в жесткие пластмассовые корпуса. Дискеты легко помещаются и извлекаются из соответствующих устройств чтения/записи и легко хранятся. Вследствие этого дискеты часто используются для автономного хранения информации. Обычные ЗУ2-дюймовые дискеты способны вмещать 1,44 Мбайт данных, хотя другие менее распространенные диски могут иметь значительно большую емкость. Примером может послужить Zip-диск компании Iomega Corporation, емкость которого может достигать нескольких сотен мегабайтов на одной дискете.
Диски большой емкости, способные вмещать гигабайты информации, состоят их 5—10 жестких дисков, установленных на общем шпинделе. Из-за того, что диски, используемые в этих устройствах, жесткие, и само устройство называется жестким диском (hard disk, или HDD), в отличие от гибких дисков. Для большей скорости вращения головки чтения/записи в этих устройствах не соприкасаются с диском, а «плавают» над его поверхностью. Расстояние между головками и диском настолько мало, что даже пылинка может помешать работе и разрушить и диск, и головку (это явление называется аварией головок (head crash)). Поэтому накопитель на жестких дисках помещается в футляр, запаянный на заводе.
Чтобы оценить качество накопителя на дисках, используется несколько параметров:
Емкость— винчестер имеет объем от 40 Гб до 300 Гб и более;
Скорость чтения данныхилискорость передачи (transfer rate) — скорость, с которой данные могут быть переданы с диска или на диск.Средний сегодняшний показатель — более 8 Мбайт/с;
Время поиска (seek time) — время, которое требуется, чтобы переместить головки чтения/записи с одной дорожки на другую;
Задержка, связанная с вращением (rotation delay), или время ожидания (latency time) — половина времени, необходимого для того, чтобы диск совершил полный оборот, что составляет средний промежуток времени, за который нужные данные будут доступны головке чтения/записи после того, как она переместилась на нужную дорожку;
Среднее время доступа.Сумма времени поиска и времени ожидания. Измеряется в миллисекундах и обозначает то время, которое необходимо диску для доступа к любому выбранному вами участку. Средний показатель — 9 мс;
Скорость вращения диска.Показатель, напрямую связанный со скоростью доступа и скоростью чтения данных. Скорость вращения жесткого диска в основном влияет на сокращение среднего времени доступа (поиска). Повышение общей производительности особенно заметно при выборке большого числа файлов;
Размер кэш-памяти— быстрой буферной памяти небольшого объема, в которую компьютер помещает наиболее часто используемые данные. У винчестера есть своя кэш-память размером до 16 Мбайт;
Фирма-производитель.Освоить современные технологии могут только крупнейшие производители, потому что организация изготовления сложнейших головок, пластин, контроллеров требует крупных финансовых и интеллектуальных затрат. В настоящее время жесткие диски производят семь компаний: Fujitsu, IBM-Hitachi, Maxtor, Samsung, Seagate, Toshiba и Western Digital. При этом каждая модель одного производителя имеет свои, только ей присущие особенности
Жесткие диски имеют значительно лучшие характеристики, чем гибкие. Поскольку в накопителях на жестких дисках головки чтения/записи не касаются поверхности диска, скорость вращения на сегодняшний день составляет порядка 3000-10000 оборотов в минуту, в то время как в накопителях на гибких дисках скорость вращения диска составляет 300 оборотов в минуту. Следовательно, скорость передачи для жестких дисков, обычно измеряемая в мегабайтах в секунду, значительно больше, чем скорость передачи у гибких дисков, которая измеряется в килобайтах в секунду.
Поскольку для работы дисков требуется механическое движение, то и жесткие, и гибкие диски уступают в скорости передачи информации электронным схемам. На самом деле, время ожидания в электронной схеме измеряется в наносекундах (миллиардная доля секунды) или меньше, а время поиска, время ожидания и время доступа дисков измеряется в миллисекундах (тысячная доля секунды). Таким образом, время, необходимое для получения информации с диска, кажется вечностью по сравнению со временем электронной схемы.
Другая распространенная технология хранения данных — компакт-диски (compact disks). Эти диски диаметром 12 см состоят из отражающего материала, покрытого прозрачным защитным слоем. Запись информации на них осуществляется посредством изменения структуры их отражающего слоя. Информация извлекается с диска при помощи лазерного луча, который контролирует отличия структуры отражающего слоя диска по мере его вращения. Технология производства компакт-дисков первоначально применялась для звукозаписи, при этом использовался формат, известный как CD-DA (compact disk digital audio — компакт-диск с цифровой звукозаписью). Компакт-диски, которые применяются сегодня для хранения данных, имеют этот же формат. А именно информация на этих дисках хранится на единственной спиральной дорожке, похожей на спиральный желобок в старых грампластинках (рис. 2). (Однако в отличие от пластинок дорожка диска находится внутри, а не на поверхности.) Дорожка разделена на отрезки, которые называются секторами. Каждый сектор имеет свой идентифицирующий маркер и емкость 2 Кбайт, что составляет 1/75 секунды звукозаписи.
Обратите внимание, что размер витков дорожки увеличивается к внешнему краю диска. Это означает, что на внешних витках хранится больше информации, чем на внутренних. Кроме того, за один оборот диска лазерный луч считывает больше информации во время прохождения по внешней части дорожки, чем во время прохождения по внутренней части. Поэтому, чтобы скорость передачи данных была одинаковой, проигрыватели компакт-дисков изменяют скорость вращения диска в зависимости от местоположения лазерного луча.
Вследствие этого запоминающая система компакт-диска лучше подходит для хранения длинных непрерывных цепочек данных, как в случае с воспроизведением музыки. Когда же необходим доступ к информации в случайном порядке, технология, используемая в магнитных дисках (отдельные концентрические дорожки, каждая из которых содержит одинаковое число секторов), подходит лучше.
Рисунок 2 – Формат хранения данных на компакт-диске
Емкость обычных компакт-дисков составляет 600-700 Мбайт. Однако другой формат DVD (Digital Versatile Disk — универсальный цифровой диск) имеет емкость порядка 4,7 Гбайт. На таких дисках можно хранить мультимедийные презентации, где аудио- и видеоданные совместно представляют информацию более интересным и наглядным способом, чем обычный текст. Хотя пока формат DVD используется в основном для записи кинофильма на один диск.
Устройства, выполненные на одной микросхеме (кристалле) и не имеющие подвижных частей, основаны на кристаллах электрически перепрограммируемой флэш-памяти.Физический принцип организации ячеек флэш-памяти можно считать одинаковым для всех выпускаемых устройств, как бы они ни назывались. Различаются такие устройства по интерфейсу и применяемому контроллеру, что обусловливает разницу в емкости, скорости передачи данных и энергопотреблении.
Multimedia Card (MMC) и Secure Digital (SD)— сходит со сцены из-за ограниченной емкости (64 Мб и 256 Мб соответственно) и низкой скорости работы.
SmartMedia— основной формат для карт широкого применения (от банковских и проездных в метро до удостоверений личности). Тонкие пластинки весом 2 грамма имеют открыто расположенные контакты, но значительная для таких габаритов емкость (до 128 Мбайт) и скорость передачи данных (до 600 Кбайт/с) обусловили их проникновение в сферу цифровой фотографии и носимых МРЗ-устройств.
Memory Stick— «эксклюзивный» формат фирмы Sony, практически не используется другими компаниями. Максимальная емкость — 256 Мбайт, скорость передачи данных доходит до 410 Кбайт/с, цены сравнительно высокие.
CompactFlash (CF)— самый распространенный, универсальный и перспективный формат. Легко подключается к любому ноутбуку. Основная область применения — цифровая фотография. По емкости (до 3 Гбайт) сегодняшние CF-карты не уступают IBM Microdrive, однако отстают по скорости обмена данными (около 2 Мбайт/с).
USB Flash Drive— последовательный интерфейс USB с пропускной способностью 12 Мбит/с или его современный вариант USB 2.0 с пропускной способностью до 480 Мбит/с. Сам носитель заключен в обтекаемый компактный корпус, напоминающий автомобильный брелок. Основные параметры (емкость и скорость работы) полностью совпадают с CompactFlash, поскольку чипы самой памяти остались прежними. Может служить не только «переносчиком» файлов, но и работать как обычный накопитель — с него можно запускать приложения, воспроизводить музыку и сжатое видео, редактировать и создавать файлы. Низкое среднее время доступа к данным на Flash-диске — менее 2,5 мс. Вероятно, накопители класса USB Flash Drive, особенно с интерфейсом USB 2.0, в перспективе смогут полностью заменить собой обычные дискеты и частично — перезаписываемые компакт-диски, носители Iomega ZIP и им подобные.
PC Card (PCMCIA ATA)— основной тип флэш-памяти для компактных компьютеров. В настоящее время существует четыре формата карточек PC Card: Type I, Type II, Type III и CardBus, различающиеся размерами, разъемами и рабочим напряжением. Для PC Card возможна обратная совместимость по разъемам «сверху вниз». Емкость PC Card достигает 4 Гб, скорость — 20 Мб/с при обмене данными с жестким диском.
Miniature Card (MC)— карточка флэш-памяти, предназначена в основном для карманных компьютеров, мобильных телефонов и цифровых фотокамер. Стандартная емкость составляет 64 Мбайт.
xD Picture Card (extreme Digital)является новым типом флэш-памяти, разработанным компанией Toshiba специально для цифровых фотоаппаратов. На сегодняшний день это самое миниатюрное устройство флэш-памяти. Благодаря использованию технологии NAND не имеет ограничений на максимальный объем. Сейчас известны карточки xD Picture Card емкостью до 1 Гбайт, ожидается появление изделий емкостью до 8 Гбайт.
MirrorBit Flash,разработанная компанией AMD, основана на технологии хранения в ячейке двух бит. Каждая ячейка разделена на симметричные (зеркальные) половинки изолирующим слоем из нитрида кремния и, таким образом, имеет удвоенную емкость. За счет «зеркальности» более быстро формируется стандартная 16-битная страница данных, что увеличивает скорость обмена. Чипы семейства MirrorBit имеют емкость 64 Мбит и могут быть установлены на большинство современных типов твердотельных устройств памяти.
Не такой уж новый вид массового запоминающего устройства (рис. 3) представляют собой магнитные ленты (magnetic tapes).
Рисунок 3 – Запоминающее устройство на магнитной ленте
В них информация записывается на магнитный слой тонкой пластиковой ленты, которая для хранения наматывается на бобину. Для извлечения данных эта лента устанавливается в аппарат, называемый лентопротяжным устройством, который может читать с ленты, записывать на ленту и перематывать ее под управлением компьютера. Размер лентопротяжных механизмов варьирует от небольших кассетных, называемых устройствами бегущей ленты, которые используют ленту, похожую на ленту в звуковых стереосистемах, до больших катушечных устройств. Хотя емкость этих запоминающих устройств зависит от того, какой формат используется, большинство из них могут вмещать гигабайты информации.
В современных ленточных устройствах лента разделена на сегменты, каждый из которых маркируется в процессе форматирования, подобно тому, как это происходит в устройствах на дисках. Каждый из сегментов содержит несколько дорожек, которые располагаются параллельно друг другу по всей длине ленты. К каждой дорожке возможен индивидуальный доступ, и это значит, что лента, в конечном счете, состоит из множества отдельных последовательностей битов, так же как в секторах на диске.
Главным недостатком устройств на лентах является то, что перемещение по ленте занимает очень много времени вследствие того, что большое количество ленты должно пройти между бобинами. Таким образом, устройства на ленте имеют гораздо большее время доступа, чем устройства на дисках, в которых сектора можно достичь простым передвижением головки чтения/записи. Также устройства на ленте мало применяются для неавтономного хранения данных. Но когда возникает необходимость автономного хранения данных для создания архива, большая емкость, прочность и экономическая эффективность делают этот вид устройств полезным.
