Внешние устройства хранения информации

 

Накопители на гибких магнитных дисках или дискеты. Дискеты служат для долговременного хранения программ и данных небольшого объема и удобны для перенесения информации с одного компьютера на другой. Дискеты различаются размером и объемом информации, который можно на них разместить. Различают 3,5"-дюймовые (рис. 5.16, а) и 5,25"-дюймовые дискеты (сейчас не используются, рис. 5.16, б). Их информационный объем составляет 1,44 Мб и 1,2 Мб соответственно. Для считывания информации с дискеты необходим специальное устройство - дисковод (рис. 5.17). Недостатки: невысокая надежность, малый информационный объем.

 

а) б)

Рис. 5.16. Дискеты: а) 3.5"1,44 Mb б) 5,25" 1,2 Mb

Рис. 5.17. НГМД FDD 3.5" NEC Silver

Накопитель на жестких магнитных дисках (от англ. HDD - Hard Disk Drive), или винчестер - это запоминающее устройство большой емкости, в котором носителями информации являются круглые жесткие пластины (иногда называемые также дисками), обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала (рис. 5.18). Винчестер используется для постоянного (длительного) хранения информации - программ и данных.

В принципе жесткие диски подобны дискетам. В них информация также записывается на магнитный слой диска. Однако этот диск, в отличие от дискет, сделан из жесткого материала, чаще всего алюминия (отсюда и название Hard Disk). В корпусе объединены такие элементы винчестера, как управляющий двигатель, носитель информации (диски), головки записи/считывания, позиционирующее устройство (позиционер) и микросхемы, обеспечивающие обработку данных, коррекцию возможных ошибок, управление механической частью, а также микросхемы кэш-памяти.

Если дискета физически состоит из одного диска, то винчестер состоит из нескольких одинаковых дисков, расположенных друг под другом.

НЖМД помещен в почти полностью герметизированный корпус. В отличие от НГМД, внутреннее устройство которого хорошо видно, НЖМД изолирован от внешней среды, что предотвращает попадание пыли и других частиц, которые могут повредить магнитный носитель или чувствительные головки чтения/записи, располагаемые над поверхностью быстро вращающегося диска на расстоянии нескольких десятимиллионных долей дюйма.

Магнитные диски являются элементами устройств чтения-записи информации - дисководов. Сам магнитный диск - это пластиковый (для гибких дисков) и 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.

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.

Так же, как и основная память, поверхность диска (или дисков) имеет структуру. Элементы физической структуры следующие:

1) 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. Кластер 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 указанные элементы (можно эту процедуру назвать дискретизацией) выполняется при его форматировании. При этом также формируются 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):

1) таблица разделов РТ (Partition Table). 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 (Master Boot Record). Содержит код процессора, необходимый для дальнейшей загрузки операционной системы;

3) загрузочная запись операционной системы BR (Boot Record). 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 (File Allocation Table) 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, а в поле размеров выставлен ноль;

6) область размещения файлов FA (File Area). Содержит файлы и подкаталоги, которые описаны в Root.

К основным характеристиками винчестеров относят:

информационный объем - до 300 Гбайт;

число пластин (дисков) - от 1 до 3 шт.;

количество головок - 2, 4, 6 шт.;

скорость вращения дисков - скорость, с которой пластины диска вращаются относительно магнитных головок (измеряется в оборотах в минуту). У современных моделей этот показатель обычно составляет 7200 об./мин;

время доступа - 7-9 мс;

скорость чтения и записи информации - 75 Мбайт/с и более;

размер кэш-памяти - в среднем 4-8 Мбайт.

Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска.

Реальная производительность жестких дисков всегда определяется интерфейсом. На сегодняшний день в компьютерах могут быть интерфейсы параллельного (IDE и SCSI) и последовательного типов (USB и FireWire), используемые в основном при подключении внешних дисков. Винчестеры, подключаемые при помощи интерфейсов SCSI, USB и FireWire имеют гораздо более высокие характеристики, чем IDE.

Винчестер (как один физический диск) может быть разделен на несколько логических дисков (разделов). Каждый из них обозначается одной буквой латинского алфавита, начиная с С:, и может иметь свою метку (название). Кроме того, каждый логический диск имеет файловые системы (FAT, FAT32, NTFS).

Накопители на лазерных оптических дисках. Запись и считывание информации в оптических накопителях производится бесконтактно с помощью лазерного луча. К таким устройствам относятся, прежде всего, накопители CD-ROM, CD-R, CD-RW и DVD (ROM, R и RW).

Устройства CD-ROM (рис. 5.19). В устройствах CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory - компакт-диск только для чтения) носителем информации является оптический диск (компакт-диск), изготавливаемый на поточном производстве с помощью штамповочных машин и предназначенный только для чтения. Компакт-диск представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра.

Информация на диске представляется в виде последовательности впадин и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска (на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек). Емкость такого CD достигает 780 Мбайт, что позволяет создавать на его основе справочные системы и учебные комплексы с большой иллюстративной базой. Один CD пo информационной емкости равен почти 500 дискетам. Считывание информации с CD-ROM происходит с достаточно высокой скоростью, хотя и заметно меньшей, чем скорость работы накопителей на жестком диске.

Накопители CD-R (CD-Recordable). Они позволяют наряду с прочтением обычных компакт-дисков однократно записывать информацию на специальные оптические диски CD-R. Информационный объем таких дисков составляет 700 Мбайт.

Запись на такие диски осуществляется благодаря наличию на них особого светочувствительного слоя из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные впадинам.

Запись информации на диски CD-R представляет собой дешевый и оперативный способ хранения больших объемов данных.

Накопители CD-RW (CD-ReWritable). Дают возможность делать многократную запись на диск. Информационный объем таких дисков составляет 700 Мбайт.

Для того чтобы прочитать или записать информацию на один из трех выше перечисленных CD-дисков, необходим соответствующий CD-дисковод.

Дисковод CD-ROM - позволяет только считывать информацию с любых CD-дисков. Соответственно между собой такие устройства будут различаться скоростью чтения и кэш-памятью. Дисковод CD-R - прочитать и записать, а дисковод CD-RW не только читает, но и перезаписывает (стирает информацию и записывает поверх нее новую). Такие дисководы различаются скоростью чтения/записи/перезаписи (последнее только для CD-RW) и размером кэш.

Накопители DVD (Digital Versatile Disk, цифровой диск общего назначения). Первые DVD-диски появились на рынке где-то в 96-97-х годах прошлого века. DVD является прекрасным носителем для данных любого типа и используется как обыкновенный компьютерный носитель информации. Снаружи DVD выглядит как обычный CD, и даже при ближайшем рассмотрении тяжело заметить разницу. Однако возможностей у DVD гораздо больше. Диски DVD могут хранить в 26 раз больше данных по сравнению CD-ROM.

Технология DVD стала огромным скачком в области носителей информации. Стандартный односторонний однослойный диск может хранить 4,7 Гбайт данных. Но DVD могут изготавливаться по двухслойному стандарту, который позволяет увеличить количество хранимых на одной стороне данных до 8,5 Гбайт.

Кроме этого, диски DVD бывают двухсторонними, что увеличивает емкость диска до 17 Гбайт. Правда, чтобы считать DVD-диск, необходимо новое устройство (DVD-ROM), но технология DVD совместима с технологией CD, и привод DVD-ROМ читает и диски CD-диск, причем разных форматов.

В продаже можно встретить различные комбинированные дисководы для оптических дисков. Например, DVD-CD R/RW позволяет читать DVD и CD-диски и производить запись/перезапись на CD-диски. Другой вариант - DVD-RW - CD-RW. Позволяет читать, записывать и перезаписывать DVD и CD-диски.

Накопители Blu-ray Disk (от англ. blue ray - голубой луч и disk - диск) - формат оптического носителя, используемый для записи и хранения цифровых данных, включая видео высокой четкости с повышенной плотностью. Стандарт Blu-ray был совместно разработан консорциум BDA. В технологии Blu-ray для чтения и записи используется сине-фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм. Обычные DVD и CD используют красный и инфракрасный лазеры с длиной волны 650 нм и
780 нм соответственно. Такое уменьшение позволило сузить дорожку вдвое по сравнению с обычным DVD-диском - до 0,32 микрон - и увеличить плотность записи данных.

Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23,3, 25, 27 или
33 Гбайт, двухслойный диск может вместить 46,6, 50, или 54 Гбайт. Также в разработке находятся диски вместимостью 100 Гбайт и 200 Гбайт с использованием соответственно четырех и шести слоев. Корпорация TDK уже анонсировала прототип четырехслойного диска объемом 100 Гбайт.

Накопители HD DVD (англ. High Definition DVD - DVD высокой четкости) - технология записи оптических дисков, выработанная консорциумом DVD Forum и компанией Toshiba. HD DVD (как и Blu-ray Disc) использует диски стандартного размера (120 миллиметров в диаметре) и синий лазер с длиной волны 405 нанометров.

Однослойный диск HD DVD имеет емкость 15 Гбайт, двухслойный - 30 Гбайт. Toshiba также анонсировала трехслойный диск, который может хранить до 45 Гбайт данных. Это меньше, чем емкость основного соперника Blu-ray, который поддерживает 25 Гбайт на один слой и
100 Гбайт на четыре слоя. Оба формата обратно совместимы с DVD и оба используют одни и те же методики сжатия видео: MPEG-2, Video Codec 1 (VC1, базируется на формате Windows Media 9) и H.264/MPEG-4 AVC.

Противостояние двух форматов HD DVD и Blu-ray, неофициально названное «война форматов» разрешилась в пользу последнего. 19 февраля 2008 года компания Toshiba объявила о прекращении поддержки технологии HD DVD в связи с решением положить конец войне форматов. Важным аргументом в этом споре выступило то, что ряд голливудских киностудий и, в частности, Warner Bros отказалась от формата HD DVD в пользу Blu-ray.

Сменные носители информации (флэш-карты). Флеш-память (англ. Flash-Memory) - разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти (рис. 5.20). Название этот тип памяти получил от одного из разработчиков технологии. Слово «флэш» - «вспышка» - относилось к типу записи информации и, вероятно, носило еще и рекламный характер.

Флеш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором, называемых ячейками. В традиционных устройствах с одноуровневыми ячейками (single-level cell, SLC), каждая из них может хранить только один бит. Некоторые новые устройства с многоуровневыми ячейками (multi-level cell, MLC) могут хранить больше одного бита, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе транзистора.

Преимущества флэш-памяти заключаются в независимости от наличия или отсутствия электрического питания, в долговременности хранения информации (производители гарантируют сохранность данных в течение 10 лет, но на практике должно быть больше) и в высокой механической надежности (в накопителях на базе флэш-памяти нет никаких механических устройств, следовательно, нечему ломаться).

Недостатки - в высокой сложности устройства, в невысоком быстродействии и в относительно высокой стоимости микросхем.

В настоящее время на основе флэш-памяти выпускается широкий ассортимент флэш-карт разных типов: SD, MMC, CompactFlash Type I и II, Memory Stick, Memory Stick Duo, TransFlash, miniSD, microSD, RS-MMC, SmartMedia, MiniDisk и др. (рис. 5.21). Основная битва производителей флэш-карт развернулась на двух фронтах: уменьшение размеров и увеличение быстродействия. Уже сейчас скорость работы карт сравнима с накопителями на оптических дисках, но от современных винчестеров отстает, весьма заметно.

Стримеры - это накопители на магнитной ленте с последовательным доступом к данным, по принципу действия - обычный магнитофон (рис. 5.22). Их отличает сравнительно низкая цена. Емкость магнитных кассет (картриджей) для стримеров составляет до нескольких Гбайт. Стримеры широко используют в системах разведки, безопасности, связи, навигации и в десятке других областей, где надо непрерывно записывать огромные массивы данных при безусловном обеспечении надежности хранения.