Внешние запоминающие устройства

Общие сведения

Внешняя память обычно используется для долговременного хранения информации.

Рис. 27. Структура электронных носителей

Основным видом внешней памяти является магнитная память. Принцип магнитной записи заключается в воздействии электромагнитного поля на ферромагнитный материал магнитной ленты, осуществляемом при записи, а также перезаписи аналогового сигнала. Магнитное поле в процессе записи изменяется в соответствии с изменениями электрических сигналов. Электрические колебания от источника подаются на записывающую головку и возбуждают в ней магнитное поле определенной частоты.

 

Под действием этого поля происходит намагничивание отдельных участков магнитной ленты, равномерно перемещаемой вдоль головок записи, стирания и воспроизведения.

Магнитная лента обладает основным недостатком – способностью размагничиваться при длительном хранении и имеет неравномерную частотную характеристику (различная чувствительность к записи на разных частотах). Кроме того, любая магнитная лента обладает собственными шумами (физические свойства магнитного слоя и способы записи-воспроизведения звука).

Стримеры - ленточные носители используются для резервного копирования с целью обеспечения сохранности данных. Носитель информации в них - магнитные ленты в кассетах и ленточных картриджах. Обычно на магнитную ленту запись осуществляется побайтно, при этом домен соответствует двоичной единице. Если считывающее устройство его не обнаруживает, то полученное значение соответствует нулю.

Компактный оптический диск (CD) – это пластмассовый диск со специальным покрытием, на котором в цифровой форме размещается записанная информация. Благодаря изменению скорости его вращения, дорожка относительно считывающего луча лазера движется с постоянной линейной скоростью. У центра диска скорость выше, а у края – медленнее (1,2–1,4 м/сек). В CD используют лазер с длиной волны излучения = 0,78 мкм. Выделяют три основных вида CD:

· CD-ROM, на которые запись, как правило, осуществляется фабрично методом штамповки с матрицы;

· CD-R, используемые для одно или несколькократной лазерной записи сессиями;

· CD-RW, предназначенные для многократных циклов записи-стирания.

В CD-R (Compact Disk Recordable) поверх отражающего слоя из золота, серебра или алюминия, расположен органический слой специального легкоплавкого пластика. Ввиду этого такой диск чувствителен к нагреванию и воздействию прямых солнечных лучей. Информация на магнитооптических накопителях типа CD-R, представляется чередованием углублений и пиков. Этот рельеф создается при производстве механическим путем. Информация наносится вдоль тонких дорожек. Считывание происходит путем сканирования дорожек лазерным лучом, который по-разному отражается от углублений и пиков.

В CD-RW имеется чувствительный слой из вещества, которое в твердом состоянии может иметь два типа внутренней структуры - кристаллический и аморфный, причем в первом случае эта субстанция прозрачнее, чем во втором. Позади чувствительного слоя находится отражающий, так что при чтении лазерный луч отражается от кристаллических участков сильнее, чем от аморфных. Так и получается последовательность светлых и темных точек, в которой кодируются данные.

Чтобы сделать участок чувствительного слоя "темным", его быстро нагревают мощным лазерным лучом (при этом кристаллическая решетка разрушается), который затем отключают, чтобы вещество остыло в аморфном состоянии. Чтобы сделать этот участок "светлым", его опять-таки прогревают лазером, но до более низкой температуры, причем медленно, постепенно наращивая мощность луча, а затем так, же постепенно снижая ее. При этом кристаллическая решетка восстанавливается, и чувствительный слой снова становится прозрачным. Т.е. слабый нагрев возвращает его обратно в кристаллическое состояние. Таким образом осуществляется перезапись. «Прожигаемая» лазером цифровая информация сохраняется в виде «пит» – чёрточек шириной 0,6–0,8 мкм и длиной 0,9–3,3 мкм.

DVD. В начале 1997 года появился стандарт компакт-дисков под названием DVD (Digital Video Disc), предназначенный в основном для записи высококачественных видеопрограмм. В дальнейшем аббревиатура DVD получила следующее значение – Digital Versatile Disc (универсальный цифровой диск), как более полно отвечающая возможностям этих дисков для записи звуковой, видео, текстовой информации, программного обеспечения ПК и др. DVD обеспечивает более высокое качество изображения, чем CD. В них используется лазер с более короткой длиной волны излучения = 0,635–0,66 мкм. Это позволяет повысить плотность записи, т.е. уменьшить геометрические размеры пит до 0,15 мкм и шаг дорожки до 0,74 мкм. Плотность записи оптических дисков определяется длиной волны лазера, то есть возможностью сфокусировать на поверхности диска луч с пятном, диаметр которого равен длине волны.

Flash-память – переносной энергонезависимый накопитель. Обычно используются следующие стандарты флэш-памяти: CompactFlash, SmartMedia, Memory Stick, Floppy Disks, MultiMedia Cards и др. Они могут использоваться вместо дискет, лазерных и магнитооптических компактных, небольших жёстких дисков. Современные сменные устройства флэш-памяти обеспечивают высокую скорость обмена данными (Ultra High Speed) – более 16,5 Мбит/с. Для подключения к USB-порту компьютера используются специальные USB Flash Drive, представляющие собой мобильные малогабаритные устройства хранения данных, не имеющие подвижных и вращающихся механических частей. Используется два основных типа Flash-памяти: NAND и NOR. Микросхемы NOR хорошо работают совместно оперативной памятью RAM, поэтому чаще используются для BIOS.

Логическая структура диска. Магнитные диски (МД) относятся к магнитным машинным носителям информации. В качестве запоминающей среды у них используются магнитные материалы со специальными свойствами (с прямоугольной петлей гистерезиса), позволяющими фиксировать два магнитных состояния - два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры: 0 и 1. Накопители на МД (НМД) являются наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами в ПК. Диски бывают жесткими и гибкими, сменными и встроенными в ПК. Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом.

Все диски: и магнитные, и оптические характеризуются своим диаметром или, иначе, форм-фактором. Наибольшее распространение получили диски с форм-факторами 3,5" (89 мм) и 5,25" (133 мм). Диски с форм-фактором 3,5" при меньших габаритах имеют большую емкость, меньшее время доступа и более высокую скорость чтения данных подряд (трансфер), более высокие надежность и долговечность.

Информация на 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.

Рис. 28. Логическая структура поверхности магнитного диска

Каждая дорожка МД разбита на сектора. В одном секторе дорожки может быть помещено 128, 256, 512 или 1024 байт, но обычно 512 байт данных. Обмен данными между НМД и системой осуществляется последовательно целым числом секторов. Кластер - это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки. 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. Данные на дисках хранятся в файлах, которые обычно отождествляют с участком (областью, полем) памяти на этих носителях информации.

Файл - это именованная область внешней памяти, выделенная для хранения массива данных. Поле памяти создаваемому файлу выделяется кратным определенному количеству кластеров. 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.

Для пакетов магнитных дисков (диски установлены на одной оси) и для двухсторонних дисков вводится понятие "цилиндр". Цилиндром называется совокупность дорожек МД, находящихся на одинаковом расстоянии от его центра.

Сам магнитный диск – это пластиковый (для гибких дисков) или алюминиевый либо керамический (для жестких дисков) круг с магниточувствительным покрытием. В случае жесткого диска таких кругов может быть несколько, и все они в центре посажены на один стержень. Для гибкого диска такой круг один, при помещении в дисковод он фиксируется в центре. Во время работы диск раскручивается. Схема дисковода показана на рисунке:

Рис. 28. Схема дисковода

Головки чтения-записи могут синхронно перемещаться в горизонтальном и вертикальном направлении (это показано стрелками), что позволяет им приблизиться к любой точке поверхности диска. Каждая точка поверхности рассматривается как отдельный бит внешней памяти. Поверхность диска (или дисков) имеет структуру. Элементы физической структуры следующие: дорожка– концентрическая окружность, по которой движутся головки чтения-записи при размещении или поиске данных. Дорожки нумеруются, начиная с нуля. Нулевой номер имеет самая внешняя дорожка на диске;

 

2. секторы – блоки, в которых размещаются данные на дорожке при записи. Нумеруются, начиная с единицы. Помимо пользовательской информации (самих данных), сектора содержат служебную информацию, например, собственный номер. Сектора являются минимальными адресуемыми элементами данных для диска;

3. стороны диска. Нумеруются, начиная с нуля. Для винчестера, расположенного вертикально, нулевой номер имеет самая верхняя сторона, для гибкого диска нулевой номер у «лицевой» стороны дискеты;

4. цилиндр – совокупность дорожек с одинаковыми номерами на разных сторонах диска. Номера цилиндров совпадают с номерами дорожек;

5. кластер – совокупность секторов, имеющих смежные номера. Может состоять из одного сектора (для дискет) или нескольких (для винчестера). Является минимальным адресуемым элементом данных для операционной системы. Кластеры используются операционной системой для добавления данных к файлу: добавление очередной «порции» данных к файлу выполняется в объеме кластера независимо от того, что реальный объем добавляемых меньше объема кластера. Это приводит к нерациональному расходованию внешней памяти. Поэтому не рекомендуется хранить на диске большое количество маленьких файлов: они имеют много пустых «хвостов».

Разбивка непрерывного пространства поверхности диска на указанные элементы (можно эту процедуру назвать дискретизацией) выполняется при его форматировании. При этом также формируется маркер начала и конца дорожки, места расположения секторов, в сектора записывается служебная информация.

Дискретное пространство диска имеет, в свою очередь, следующую структуру (она описана в порядке возрастания номеров сторон, дорожек и секторов):

таблица разделов PT (P artition T able). Состоит из четырех элементов, описывающих разделы диска, причем операционные системы используют только первые два элемента. Описание раздела диска содержит данные о первых и последних головках чтения-записи, дорожках, секторах раздела, общем количестве секторов в разделе, типе файловой системы и признак того, что раздел является загрузочным;

2. главная загрузочная запись MBR (M aster B oot R ecord). Содержит код процессора, необходимый для дальнейшей загрузки операционной системы;

3. загрузочная запись операционной системы BR (B oot R ecord). Содержит следующую информацию: программу загрузки операционной системы, размер кластера, количество копий FAT, количество файлов в корневом каталоге Root, размер FAT и некоторую другую информацию;

4. таблица размещения файлов FAT (F ile A llocation T able) и ее копии. Содержит полную карту принадлежности кластеров файлам и используется операционными системами для хранения сведений о размещении файлов на диске и о «плохих» (bad) кластерах. В силу важности FAT она дублируется несколько раз;

5. корневой каталог Root. Это таблица, в которой каждая запись соответствует файлу или подкаталогу, подчиненному корневому каталогу диска, и имеет структуру:

· имя файла или подкаталога;

· тип файла,

· атрибуты, в которых определяются следующие параметры файла или подкаталога: предназначенность только для чтения, скрытость, системность, маркер принадлежности данной записи метке тома, признак принадлежности данной записи подкаталогу, а не файлу, архивность;

· время создания;

· дата создания;

· номер начального кластера файла или подкаталога;

· размер файла.

Следует подчеркнуть, что записи для файлов и подкаталогов идентичны за исключением двух характеристик: в поле атрибутов выставлен признак подкаталога и в поле размеров выставлен ноль.

6. область размещения файлов FA (F ile A rea). Содержит файлы и подкаталоги, которые описаны в Root. Следует иметь в виду, что при размещении файлов на диске операционная система выбирает для этого первые попавшие свободные кластеры. Поэтому в результате файл физически "разорван" на множество "кусков", что увеличивает время его сборки впоследствии. Такое явление называется фрагментацией файла. Для устранения фрагментации выполняют дефрагментацию файла, когда он по возможности "собирается" в единое целое, что позволяет оптимизировать работу с внешней памятью.

Жесткий диск

Жесткий диск (винчестер) - это устройство, на котором чаще всего хранятся данные. Бытует легенда, объясняющая, почему за жесткими дисками повелось такое причудливое название. Первый жесткий диск, выпущенный в Америке в начале 70-х годов, имел емкость по 30 Мб информации на каждой рабочей поверхности. В то же время, широко известная в той же Америке магазинная винтовка О. Ф. Винчестера имела калибр - 0.30, с той поры стали называть жесткие диски винчестерами.

В процессе работы компьютера случаются сбои. Вирусы, перебои энергоснабжения, программные ошибки - все это может послужить причиной повреждения информации, хранящейся на жестком диске. Повреждение информации далеко не всегда означает ее потерю, так что полезно знать о том, как она хранится на жестком диске, ибо тогда ее можно восстановить. Тогда, например, в случае повреждения вирусом загрузочной области, вовсе не обязательно форматировать весь диск (!), а, восстановив поврежденное место, продолжить нормальную работу с сохранением всех своих бесценных данных.

Устройство жесткого диска

Жесткий диск (НDD - Hard Disk Drive) устроен следующим образом: на шпинделе, соединенным с электромотором, расположен блок из нескольких дисков, над поверхностью которых находятся головки для чтения/записи информации. Форма головкам придается в виде крыла и крепятся они на серпообразный поводок. При работе они "летят" над поверхностью дисков в воздушном потоке, который создается при вращении этих же дисков. Очевидно, что подъемная сила зависит от давления воздуха на головки. Оно же, в свою очередь, зависит от внешнего атмосферного давления. Поэтому некоторые производители указывают в спецификации на свои устройства предельный потолок эксплуатации. Ну чем не самолет? Диск разбит на дорожки (или треки), которые в свою очередь поделены на сектора. Две дорожки, равноудаленные от центра, но расположенные по разные стороны диска, называются цилиндрами.

Рис. 29. Устройство жесткого диска

 

Хранение информации. Жесткий диск, как и всякое другое блочное устройство, хранит информацию фиксированными порциями, которые называются блоками. Блок является наименьшей порцией данных, имеющей уникальный адрес на жестком диске. Для того чтобы прочесть или записать нужную информацию в нужное место, необходимо представить адрес блока в качестве параметра команды, выдаваемой контроллеру жесткого диска. Размер блока уже довольно с давних пор является стандартным для всех жестких дисков - 512 байт.

К сожалению, достаточно часто происходит путаница между такими понятиями как "сектор", "кластер" и "блок". Фактически, между "блоком" и "сектором" разницы нет. Правда, одно понятие логическое, а второе топологическое. "Кластер" - это несколько секторов, рассматриваемых операционной системой как одно целое. Почему не отказались от простой работы с секторами? Переход к кластерам произошел потому, что размер таблицы FAT был ограничен, а размер диска увеличивался. В случае FAT16 для диска объемом 512 Мб кластер будет составлять 8 Кб, до 1 Гб - 16 Кб, до 2 Гб - 32 Кб и так далее.

Для того чтобы однозначно адресовать блок данных, необходимо указать все три числа (номер цилиндра, номер сектора на дорожке, номер головки). Такой способ адресации диска был широко распространен и получил впоследствии обозначение аббревиатурой CHS (cylinder, head, sector). Именно этот способ был первоначально реализован в BIOS, поэтому впоследствии возникли ограничения, связанные с ним. Дело в том, что BIOS определил разрядную сетку адресов на 63 сектора, 1024 цилиндра и 255 головок. Однако развитие жестких дисков в то время ограничилось использованием лишь 16 головок в связи со сложностью изготовления. Отсюда появилось первое ограничение на максимально допустимую для адресации емкость жесткого диска: 1024*16*63*512 = 504Mb.

Со временем, производители стали делать HDD большего размера. Соответственно число цилиндров на них превысило 1024, максимально допустимое число цилиндров (с точки зрения старых BIOS). Однако, адресуемая часть диска продолжала равняться 504 Мбайтам, при условии, что обращение к диску велось средствами BIOS. Это ограничение со временем было снято введением так называемого механизма трансляции адресов.

Проблемы, возникшие с ограниченностью BIOS по части физической геометрии дисков, привели в конце концов к появлению нового способа адресации блоков на диске. Этот способ довольно прост. Блоки на диске описываются одним параметром - линейным адресом блока. Адресация диска линейно получила аббревиатуру LBA (logical block addressing). Линейный адрес блока однозначно связан с его CHS адресом:

lba = (cyl*HEADS + head)*SECTORS + (sector-1);

Введение поддержки линейной адресации в контроллеры жестких дисков дало возможность BIOS'aм заняться трансляцией адресов. Суть этого метода состоит в том, что если в приведенной выше формуле увеличить параметр HEADS, то потребуется меньше цилиндров, чтобы адресовать то же самое количество блоков диска. Но зато потребуется больше головок. Однако головок-то как раз использовалось всего 16 из 255. Поэтому BIOS'ы стали переводить избыточные цилиндры в головки, уменьшая число одних и увеличивая число других. Это позволило им использовать разрядную сетку головок целиком. Это отодвинуло границу адресуемого BIOS'ом дискового пространства до 8Gb.

Нельзя не сказать несколько слов и о Large Mode. Этот режим работы предназначен для работы жестких дисков объемом до 1 Гб. В Large Mode количество логических головок увеличивается до 32, а количество логических цилиндров уменьшается вдвое. При этом обращения к логическим головкам 0..F транслируются в четные физические цилиндры, а обращения к головкам 10..1F - в нечетные. Винчестер, размеченный в режиме LBA, несовместим с режимом Large, и наоборот.

Дальнейшее увеличение адресуемых объемов диска с использованием прежних сервисов BIOS стало принципиально невозможным. Действительно, все параметры задействованы по максимальной "планке" (63 сектора, 1024 цилиндра и 255 головок). Тогда был разработан новый расширенный интерфейс BIOS, учитывающий возможность очень больших адресов блоков. Однако этот интерфейс уже не совместим с прежним, вследствие чего старые операционные системы, такие как DOS, которые пользуются старыми интерфейсами BIOS, не смогли и не смогут переступить границы в 8GB. Практически все современные системы уже не пользуются BIOS'ом, а используют собственные драйвера для работы с дисками. Поэтому данное ограничение на них не распространяется. Но следует понимать, что прежде чем система сможет использовать собственный драйвер, она должна как минимум его загрузить. Поэтому на этапе начальной загрузки любая система вынуждена пользоваться BIOS'ом. Это и вызывает ограничения на размещение многих систем за пределами 8GB, они не могут оттуда загружаться, но могут читать и писать информацию (например, DOS, который работает с диском через BIOS).

Разделы, или Partitions

Обратимся теперь к размещению операционных систем на жестких дисках. Для организации систем дисковое адресное пространство блоков разделяется на части, называемые разделами (partitions). Разделы полностью подобны целому диску в том, что они состоят из смежных блоков. Благодаря такой организации для описания раздела достаточно указания начала раздела и его длины в блоках. Жесткий диск может содержать четыре первичных раздела.

Во время загрузки компьютера, BIOS загружает первый сектор головного раздела (загрузочный сектор) по адресу 0000h:7C00h и передает ему управление. В начале этого сектора расположен загрузчик (загрузочный код), который прочитывает таблицу разделов и определяет загружаемый раздел (активный). А дальше все повторяется. То есть он загружает загрузочный сектор этого раздела на этот же адрес и снова передает ему управление.

Разделы являются контейнерами всего своего содержимого. Этим содержимым является, как правило, файловая система . Под файловой системой с точки зрения диска понимается система разметки блоков для хранения файлов. После того, как на разделе создана файловая система и в ней размещены файлы операционной системы, раздел может стать загружаемым. Загружаемый раздел имеет в своем первом блоке небольшую программу, которая производит загрузку операционной системы. Однако для загрузки определенной системы нужно явно запустить ее загрузочную программу из первого блока.

Разделы с файловыми системами не должны пересекаться. Это связано с тем, что две разные файловые системы имеют каждая свое представление о размещении файлов, но когда это размещение приходится на одно и то же физическое место на диске, между файловыми системами возникает конфликт. Этот конфликт возникает не сразу, а лишь по мере того, как файлы начинают размещаться в том месте диска, где разделы пересекаются. Поэтому следует внимательно относиться к разделению диска на разделы.

Само по себе пересечение разделов не опасно. Опасно именно размещение нескольких файловых систем на пересекающихся разделах. Разметка диска на разделы еще не означает создания файловых систем. Однако, уже сама попытка создания пустой файловой системы (то есть форматирование), на одном из пересекающихся разделов может привести к возникновению ошибок в файловой системе другого раздела.

Диск разбивается на разделы программным путем. То есть, Вы можете создать произвольную конфигурацию разделов. Информация о разбиении диска хранится в самом первом блоке жесткого диска, называемым главной загрузочной записью (Master Boot Record (MBR)).

MBR

MBR является основным средством загрузки с жесткого диска, поддерживаемым BIOS. Вводится таблица разделов, всего четыре раздела. Только один из четырех разделов имеет право быть помеченным как активный, что будет означать, что программа загрузки должна загрузить в память первый сектор именно этого раздела и передать туда управление.

Программа загрузки просматривает таблицу разделов, выбирает из них активный, загружает первый блок этого раздела и передает туда управление.

С точки зрения разделов диска наиболее популярной до недавнего времени была и остается MS-DOS. Она забирает в свое пользование два из четырех разделов: Primary DOS partition, Extended DOS partition. Первый из них, (primary) это обычный досовый диск C:. Второй - это контейнер логических дисков. Они все болтаются там в виде цепочки подразделов, которые так и именуются: D:, E:,....