Носители информации и технические средства

Для хранения данных

 

Персональные компьютеры имеют четыре иерархических 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. 3.

Быстродействие первых трех типов запоминающих устройств измеряется временем обращения к ним, а быстродействие внешних запоминающих устройств двумя параметрами: временем доступа и скоростью считывания.

 

Оперативная память может строиться на микросхемах динамического (Dinamic Random Access Memory — DRAM) или статического (Static Random Access Me­mory — SRAM) типа.

Статический тип памяти обладает существенно более высоким быстродействием, но значительно дороже динамического. 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 статической памяти имеют малое время срабатывания (единицы наносекунд), однако микросхемы на их основе имеют низкую удельную емкость (единицы мегабит на корпус) и высокое энергопотребление. Поэтому статическая память используется в основном в качестве микропроцессорной и буферной (кэш-память).

 

Тип памяти	Емкость	Быстродействие
МПП	Десятки байт	tобр= 0,001-0,002 мкс
Кэш-память	Сотни килобайт	tобр = 0,002-0,01 мкс
ОП, в том числе: ОЗУ   ПЗУ
Десятки-сотни мегабайт	tобр = 0,005-0,02 мкс
Сотни килобайт	tобр = 0,035-0,1 мкс
ВЗУ, в том числе: НМД   НГМД
Единицы-десятки гигабайт	tдост = 6 - 30 мс Vсчит = 500 - 3000 Кбайт/с
Единицы мегабайт	tдост =65 – 100 мс Vсчит = 40 - 150 Кбайт/с
CD-ROM	Сотни мегабайт	tдост = 50 - 300 мс Vсчит =150 - 5000 Кбайт/с

 

 

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 CAS (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 мегабит на корпус) и меньшее энергопотребление. Динамическая память используется для построения оперативных запоминающих устройств основной памяти ПК.

 

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 используется 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, имеют свою встроенную в основное ядро МП кэш-память (или кэш-память 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 ММХ — 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 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 мегабайт (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 нс, для кэш-памяти L2 и L3 это время доходит до 10 нс. 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 производительность, но эта зависи­мость нелинейная. Имеет место постепенное уменьшение скорости роста общей производительности компьютера с ростом размера кэш-памяти.

 

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или 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 инфор­мацию, запись информации в ПЗУ выполняется вне ПК в лабораторных условиях или при наличии специального программатора и 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 programinable 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 (FLASH-память).

Устанавливаемые на системной плате ПК модули и кассеты ПЗУ имеют емкость, как правило, не превышающую 128 Кбайт. Быстродействие у постоянной памяти меньшее, нежели 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 — FLASH-память. Модули или карты FLASH-памяти могут устанавливаться прямо в разъемы материнской платы и имеют следующие параметры: емкость от 32 Кбайт до 15 Мбайт (в ПЗУ используется до 128 Кбайт), время обращения по считыванию 0,035 - 0,2 мкс, время записи одного байта 2-10 мкс;

FLASH-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 FLASH-памяти напряжение программирования (12 В), что исклю­чает возможность случайного стирания информации. Перепрограммирование FLASH-памяти может выполняться непосредственно с дискеты или с клавиатуры ПК при наличии специального контроллера либо с внешнего программатора, под­ключаемого к ПК. FLASH-память может быть 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 ячеек памяти, емкостью 1 байт каждая. Общая емкость основной памяти современных ПК обычно лежит в пределах от 16 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 (отличный от всех дру­гих) адрес. Основная память имеет для ОЗУ и ПЗУ — единое адресное про­странство.

Адресное пространство определяет максимально возможное количество непо­средственно адресуемых ячеек основной памяти. Адресное пространство зависит от разрядности адресных шин, ибо максимальное количество разных адресов опре­деляется разнообразием двоичных чисел, которые можно отобразить в п разря­дах, то есть адресное пространство равно 2 ⁿ, где п — разрядность адреса. За осно­ву в ПК взят 16-разрядный адресный код, равный по длине размеру машинного слова. При наличии 16-разрядного кода адреса можно непосредственно адресо­вать всего 2¹⁶ = 65 536 = 64 К (К = 1024) ячеек памяти. Вот это 64-килобайтное 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 Кбайта.

Современные ПК (кроме простейших бытовых компьютеров) имеют основную память, емкостью существенно больше 1 Мбайт: память, емкостью 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 путем использования спе­циальных приемов структуризации адресов ячеек ОП.

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

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

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

А_сегм должен быть 20-разрядным, но если принять условие, что А_сегм 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 его справа четырьмя нулями и превра­щению его, таким образом, в 20-разрядный код. То есть условно можно записать:

 

А_абс = 16хА_сегм + А_асм.

 

Программисты иногда используют еще две составляющие адреса 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 — кажу­щийся, воображаемый). Виртуальная адресация используется 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 А_сегм в формировании абсолютного адреса А_абс принимает участие многоразрядный адресный код, считываемый из специаль­ных таблиц. Принцип простой виртуальной адресации можно пояснить следую­щим образом. В регистре сегмента (обычно регистр DS) содержится не А_сегм, а не­кий селектор, имеющий структуру:

ИНДЕКС F СЛ

Здесь СЛ — вспомогательная служебная информация; F — идентификатор, опре­деляющий тип дескрипторной таблицы для формирования А_сегм (дескрипторные таблицы создаются в ОП при виртуальной адресации автоматически):

- если F = 0, то используется глобальная дескрипторная таблица (GDT), общая для всех задач, решаемых в ПК при многопрограммном режиме;

- если F = 1, то используется локальная дескрипторная таблица (LDT), создава­емая для каждой задачи отдельно;

- ИНДЕКС — адрес строки в дескрипторной таблице.

В соответствии с индексом и идентификатором из GLT или LDT считывается 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 при защищенном режиме работы микропроцессора. Для большей плотности размещения информации в оперативной памяти (уменьшения сегментированности, характерной для многопрограммного режима) часто используется сегментно-страничная 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 используются 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. 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 (кажущейся) 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. При этом ре­ально программа может размещаться частично в ОП, частично во внешней памяти.

Технология организации виртуальной памяти следующая. Физические оператив­ная и дисковая (привлеченная к задаче) память и виртуальная память разбивают­ся на страницы одинакового размера по 4 Кбайта. 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.1).

На рисунке 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.

 

 

Рис.1

 

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.

Для ПК характерно стандартное распределение непосредственно адресуемой па­мяти, то есть 1-мегабайтной области ОП между ОЗУ и ПЗУ и между функцио­нально ориентированной информацией (рис. 2).

 

 

	Стандартная память 640К	Верхняя память 384К
64К   Область служебных программ и данных ОС	576К   Область программ и данных операционной системы и пользователя	256К   Область видеопамяти дисплея и служебных программ	128К Область ПЗУ — программ BIOS
ОЗУ	ПЗУ

 

Рис. 2

 

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. 3.

 

Непосредственно адресуемая память	Расширенная память
Стандартная память	Верхняя память	Высокая память
0 640К	640К 1024К	1024К 1088К	1088К 64М

 

Рис. 3

 

Прежде всего, основная память компьютера делится на две логические области:

непосредственно адресуемую память, занимающую первые 1024К ячеек с адреса­ми от 0 до 1024К - 1, и расширенную память, доступ к ячейкам которой возможен при использовании специальных программ-драйверов или в защищенном режиме работы микропроцессора.

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

Непосредственно адресуемая память в диапазоне адресов от 640 до 1024 Кбайт на­зывается верхней памятью (UMA — Upper Memory Area). Верхняя память заре­зервирована для памяти дисплея (видеопамяти) и постоянного запоминающего устройства. Однако обычно в верхней памяти остаются свободные участки - «окна», которые могут быть использованы при помощи программ управления памятью (драйверов) в качестве оперативной памяти общего назначения.

Расширенная память — это память с адресами 1024 Кбайт и выше. Имеется два основных способа доступа к этой памяти:

- по спецификации XMS (эту память называют тогда ХМА — eXtended Memory Area);

- по спецификации EMS (память называют ЕМ — Expanded Memory).

Доступ к расширенной памяти согласно спецификации XMS (Extended Memory Specification) организуется при использовании специальных драйверов (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 свободных «окнах» UMA; в окне UMA при этом хранится не обрабатываемая информация, а лишь адреса, обеспечивающие доступ к этой информации. Память, организуемая по спецификации EMS, носит название отображаемой, поэтому и сочетание слов Expanded Memory (ЕМ) часто переводят как отображаемая память (хотя термин Expanded почти идентичен термину Extended и более точно переводится как расширенный, увеличенный). Для организации отображаемой памяти необходимо воспользоваться драйвером EMM.EXE (Expanded Memory Manager). Отображаемая память медленная и по­этому она постепенно уступает место Extended Memory.

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 неболь­шая 64-килобайтная область памяти с адресами от 1024 до 1088 Кбайт (так назы­ваемая высокая память, иногда ее называют старшая: НМА — High Memory Area), которая может адресоваться и непосредственно при использовании драйвера HIMEM.EXE (High Memory Manager), например. НМА может использоваться для хранения любой информации, в том числе и программ пользователя. Возможность непосредственной адресации высокой памяти обусловлена особенностью сегмен­тной адресации ячеек ОП, ибо 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 сме­шения в этом сегменте FFFF — получаем верхнюю границу непосредственно адресуемой высокой памяти.

Устройство внешней памяти (в литературе часто встречается и другая терминология, например, внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) или накопитель информации) – это любое запоминающее устройство, связанное с ПЭВМ и управляемое ею, но в конструктивном отношении выполненное отдельно. Чаще всего ВЗУ подключаются с помощью многожильных кабелей непосредственно к материнской плате персонального компьютера, но для некоторых типов ВЗУ предусмотрено подключение к параллельному порту, разъем которого расположен на задней стенке корпуса компьютера. Для управления режимами работы ВЗУ, а также обменом данными между ВЗУ и микропроцессором компьютера, используются контроллеры – своеобразные посредники между ВЗУ и ПЭВМ.

Устройства внешней памяти (накопители информации) предназначены для обеспечения долговременного хранения больших объемов данных. Наибольшее распространение в ПЭВМ получили накопители информации на магнитных дисках (НМД). Такие ВЗУ используют известный в технике звукозаписи принцип записи и допускают многократное считывание и запись новой информации на место ранее записанной. Большая емкость и малая стоимость хранения бита информации являются их основными преимуществами. Однако кроме них в персональных компьютерах все большее применение находят и другие технические средства долговременного хранения информации, например, накопители на оптических дисках, накопители на магнитной ленте и др.

Основными характеристиками ВЗУ являются:

емкость;

быстродействие;

Время безотказной работы.

Емкость накопителя информации представляет собой максимальный объем данных, которые можно записать на носитель информации. Емкость ВЗУ обычно измеряют в килобайтах, мегабайтах или гигабайтах.

Быстродействие накопителя информации зависит от нескольких его параметров (характеристик), и поэтому является комплексной характеристикой ВЗУ. Объясним данное положение более подробно.

Обращение к ВЗУ в общем случае предполагает последовательное выполнение двух операций:

а) доступа к носителю информации – подведения к головке (головкам) участка носителя, где находится нужная информация или куда информация должна быть записана;

б) считывания и передачи информации из ВЗУ в оперативную память или передачи информации из оперативной памяти в ВЗУ и записи ее на носитель.

Поэтому быстродействие ВЗУ определяется двумя показателями - средним (максимальным) временем доступа t_дост. и скоростью передачи данных V_з/чт (скоростью записи-считывания).

На носителе, как правило, информация располагается упорядоченно, поэтому целесообразно, чтобы при обращении к ВЗУ происходили запись или считывание не отдельного слова или байта, а последовательно расположенного блока или массива данных. Этим достигается уменьшение влияния времени доступа на быстродействие ВЗУ.

Устройства внешней памяти делятся на устройства с прямым доступом и последовательным доступом. В устройствах с прямым доступом, к которым относятся накопители на магнитных (оптических) дисках, время доступа практически мало зависит от положения носителя информации относительно головки (головок) в момент инициирования обращения к ВЗУ, что достигается циклическим движением носителя с большой скоростью относительно головки (головок). В устройствах с последовательным доступом (ВЗУ на магнитных лентах) для поиска нужного участка носителя требуется последовательный просмотр записанной на носителе информации, для чего в неблагоприятных случаях расположения головок и нужного участка магнитной ленты может потребоваться значительно больше времени, чем в устройствах с прямым доступом.

Время доступа характеризует только скорость позиционирования головки (головок), а то, как быстро будут считаны (записаны) данные, т. е. скорость передачи данных, зависит от таких характеристик накопителя, как количество байт в секторе, количество секторов на дорожке и, наконец, от скорости вращения диска (перемещения магнитной ленты).

Из-за большого различия в быстродействии оперативной памяти и ВЗУ, обращения к накопителям информации порождают потери производительности ЭВМ. Поэтому быстродействие ВЗУ является показателем не менее, а в ряде случаев даже более важным, чем его емкость.

Емкость и быстродействие накопителя информации тесно связаны с такой его характеристикой, как плотность записи информации. Поэтому одним из важнейших направлений улучшения характеристик ВЗУ является повышение плотности записи, что представляет собой сложную инженерную проблему, решение которой связано с улучшением конструкции и технологии изготовления основных узлов ВЗУ, в первую очередь, носителя информации и магнитных головок, создания новых методов магнитной записи и способов кодирования записываемой информации, обеспечивающих корректирование ошибок при считывании.

Время безотказной работы – это среднестатистическое время между сбоями (под сбоем понимают воспроизведение информации с ошибкой). Данный показатель характеризует надежность накопителя информации. Согласно данных фирм-изготовителей, время безотказной работы для различных накопителей обычно составляет 20 000 … 500 000 часов, а иногда даже и 1 000 000 часов. Но к этим цифрам нужно относиться осторожно. Нетрудно подсчитать, что при круглосуточной работе компьютера в течение года его наработка составит 8760 часов. Таким образом, для подтверждения заявленных 500 000 часов безотказной работы понадобится примерно 57 лет. А практика показывает, что при интенсивности использования компьютера 8 … 10 часов в сутки срок безотказной эксплуатации накопителей информации составляет в среднем 5 … 10 лет.

Кроме перечисленных характеристик ВЗУ на практике часто используется еще одна – относительнаястоимость накопителя. Она характеризует стоимость хранения единицы объема данных и определяется как отношение стоимости устройства к его емкости.

 

Теперь более подробно остановимся на изучении устройства и особенностей функционирования ВЗУ, нашедших широкое применение в современных ПЭВМ.

Прежде всего рассмотрим классификацию устройств внешней памяти. В основе классификационных признаков ВЗУ чаще всего лежит тип примененного носителя информации. По этому признаку различают накопители на магнитных лентах (НМЛ), магнитных дисках (НМД) и оптических дисках (НОД) (рис. 4). Кроме того, ВЗУ могут быть со сменными и несменными носителями информации.

 

Рисунок 4 – Классификация ВЗУ

 

Рассмотрим особенности устройств внешней памяти в соответствии с приведенной классификацией.

ВЗУ на магнитной ленте (НМЛ). Запоминающие устройства на магнитной ленте являются традиционными в перечне средств вычислительной техники. Особенно популярными эти накопители информации были в эпоху мини- и больших ЭВМ, поскольку позволяли хранить объемы информации существенно большие, чем накопители на магнитных дисках.

Среди ВЗУ на магнитной ленте, находящих применение в настоящее время, различают НМЛ на базе кассетных магнитофонов и стримеры.

 

Накопители на базе кассетных магнитофонов находят применение лишь в бытовых микро-ЭВМ в качестве основной внешней памяти при полном отсутствии дисковых накопителей. Следует отметить, что сегодня бытовые микро-ЭВМ практически вытеснены современными персональными компьютерами, а вместе с ними уходят в небытие и накопители названного типа.

Стример – это устройство для архивирования и резервного копирования больших объемов данных на компактные носители. Стримеры бывают выполнены в виде внутреннего или внешнего устройства. В качестве носителя информации в них используется магнитная лента, похожая на ленту в обычной аудиокассете.

По сути, стример – это накопитель на магнитной ленте (цифровой кассетный магнитофон), в котором используются специальные кассеты – ленточные картриджи, позволяющие защитить носитель информации от внешних воздействий.

Максимальный объем данных, которые позволяет хранить стример, может достигать 100 Гбайт. Основной недостаток стримеров – малая скорость передачи данных. Для лучших образцов устройств эта характеристика достигает значения 12 Мбайт/с.

Независимо от типа НМЛ, на носителе информации (магнитной ленте) формируется 9 дорожек, из которых 8 являются информационными, а девятая – контрольной. По ширине ленты помещается ровно один байт данных. Ширина ленты, в зависимости от типа НМЛ, изменяется в следующих пределах: лента в бобинах 12,7 мм (0,5 дюйма); кассетные НМЛ – 6,35 мм (0,25 дюйма); компакт-кассеты – 3,8 мм (0,15 дюйма).

ВЗУ на магнитных дисках (НМД) – наиболее популярные устройства внешней памяти. Можно сказать, что эти устройства в настоящее время являются основными накопителями информации ПЭВМ. Любой современный персональный компьютер содержит как минимум один накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД), и накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД). При наличии в составе ПЭВМ только НГМД работа на ней становится неудобной из-за ограниченности емкости гибких дисков (ГД). Кроме этого, в последнем случае ПЭВМ может функционировать только под управлением операционной системы MS-DOS, поскольку операционная система Windows требует емкости накопителя, существенно превышающей емкость НГМД.

Общим для НГМД и НЖМД является тип носителя информации – магнитный диск (МД). Рассматриваемые ВЗУ относятся к электромеханическим устройствам с носителем информации в виде движущейся поверхности, покрытой тонким слоем магнитного материала. Они являются устройствами с произвольным обращением, допускающим многократное считывание информации и запись новой информации на место ранее записанной. Электромеханические ВЗУ компактны, сравнительно дешевы (в пересчете стоимости на 1 бит хранимой информации), позволяют хранить в одном устройстве (модуле) объемы информации от единиц Мбайт до десятков Гбайт.

Рассмотрим более подробно накопители информации на магнитных дисках.

Накопители информации на гибких магнитных дисках (НГМД) – это устройства со сменными носителями информации, позволяющие считывать и записывать информацию и обеспечивающие хранение сравнительно небольших объемов информации.

В качестве носителей информации в НГМД используются гибкие магнитные диски (дискеты), которые позволяют обеспечить перенос программ и данных между ПЭВМ, а также создание небольших архивов данных.

Информация на дискете запоминается путем изменения ее намагниченности. Изменение поля в магнитной головке ориентирует магнитные частицы дискеты в направлении "север-юг" или "юг-север". Так представляются логические состояния "1" или "0".

НГМД для ПЭВМ бывают двух размеров – 5,25 дюйма и 3,5 дюйма, которые отличаются, в первую очередь, емкостью. НГМД 3,5 дюйма обладают более высокой емкостью (1,44 или 2,88 Мбайт по сравнению с 1,2 Мбайт для НГМД 5,25 дюйма) и меньшими размерами, поэтому в настоящее время в ПЭВМ применяются в основном только эти НГМД.

В корпусе НГМД имеется два двигателя: один обеспечивает стабильную скорость вращения вставленной в накопитель дискеты, а второй перемещает головки записи-чтения. Заметим, что скорость вращения первого двигателя зависит от типа дискеты и составляет от 300 до З60 об/мин. Двигатель для перемещения головок в этих приводах всегда шаговый. С его помощью головки перемещаются радиально от края диска к его центру и обратно дискретными интервалами. В данном устройстве головки прижаты с ничтожным усилием к поверхности гибкого диска.

Двигатель привода гибкого диска включается только при доступе к накопителю с целью чтения или записи информации. Следовательно диск непрерывно не вращается.

НГМД имеет щель для установки дискеты. После ввода дискеты эта щель обычно закрывается откидной заслонкой или дверцей. НГМД традиционно монтируется в системный блок ПЭВМ.

Количество магнитных головок зависит от обслуживаемого числа рабочих поверхностей дискеты. В настоящее время все дискеты являются двухсторонними, а НГМД, соответственно, имеют две магнитные головки.

Для подключения НГМД к ПЭВМ служит контроллер, расположенный на материнской плате. Он управляет работой всех узлов привода: включает и выключает двигатель вращения диска, задерживает его выключение на несколько секунд для ускорения доступа к данным в случае повторного обращения. По индексной метке на дискете контроллер находит нужную дорожку и устанавливает на нее головку записи-чтения. Он также проверяет, закрыт или не закрыт вырез в пластиковом конверте диска, запрещая в первом случае операцию записи. Контроллер соединен с накопителем 34-контактным кабелем. К одному контроллеру обычно могут подключатся два НГМД.

Информация на гибком диске размещается вдоль концентрических окружностей, называемых дорожками. Дорожки нумеруются от 0 до 39 (79), начиная с внешней стороны. Емкость всех дорожек одинакова. Дорожки с одинаковыми номерами на различных поверхностях диска образуют цилиндр. Каждая дорожка содержит определенное число секторов: 9, 15 или 18. Под сектором понимают участок дорожки магнитного диска, хранящий минимальную порцию информации, которая может быть считана с диска или записана на него (для гибких магнитных дисков емкость сектора обычно составляет 512 байт). Каждый сектор имеет уникальный адрес. Между секторами имеется межсекторный интервал. Описанную схему размещения информации на дисках иллюстрирует рис. 5.

Рисунок 5 – Схема размещения информации на дисках

 

Емкость дискеты E может быть определена по формуле:

 

 

где n – число рабочих поверхностей дискеты;

d_c – емкость сектора;

U_c – число секторов;

K _Д – количество дорожек.

Пример. Рассчитать емкость двухсторонней гибкой дискеты, подготовленной к работе, имеющей 80 дорожек и 15 секторов емкостью 512 байт.

 

E = 2·512·18·80 = 1 474 560 байт = 1,44 Мбайт.

Не слишком греша против истины, можно сказать, что наиболее популярным устройством внешней памяти любого IBM-совместимого персонального компьютера является его накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД). Их также часто называют винчестерами.

Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД) – это устройство, предназначенное для долговременного хранения программ и массивов данных большого объема без возможности их непосредственного переноса с одной ПЭВМ на другую.

Кратко рассмотрим устройство винчестера. В корпусе из прессованного алюминия размещаются следующие элементы винчестера: управляющий двигатель, носитель информации (магнитные диски), привод носителя информации, головки чтения-записи и электроника. Корпус винчестера закрыт герметично, что защищает его элементы от внешних воздействий (пыли, влаги, магнитных полей).

Носители информации (диски), смонтированы на оси-шпинделе в виде пакета. Пакет дисков приводится в движение с помощью двигателя. Скорость вращения дискового пакета составляет 4500 … 12 000 об/мин., в зависимости от типа накопителя. Понятно, что чем выше скорость вращения дисков, тем быстрее происходит обмен информацией между винчестером и ОЗУ. Пакет дисков в винчестере вращается непрерывно, даже тогда, когда к нему не происходит обращения.

Сами диски представляют собой обработанные с высокой точностью керамические или алюминиевые пластины, на которые нанесен специальный магнитный слой (покрытие). Количество дисков в пакете может быть различным – от одного до пяти и выше. Число рабочих поверхностей, соответственно, в два раза больше. Правда, иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них) не используются для хранения данных. В этом случае число рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Одной из наиболее важных частей любого накопителя являются головки чтения-записи. Как правило, они закреплены на специальном позиционере, который напоминает рычаг звукоснимателя на проигрывателе грампластинок. Позиционер с головками приводится в движение с помощью шагового двигателя.

В отличие от НГМД, где головки имеют непосредственный контакт с носителем информации, у винчестеров головки чтения/записи "парят" над поверхностью дисков на воздушной подушке. Расстояние между диском и головкой составляет примерно 0,05 … 0,1 мкм. Вследствие большой скорости вращения дисков и малого расстояния, на котором расположены головки от дисков, частицы грязи представляют потенциальную угрозу разрушения материала носителя. Именно поэтому корпус винчестера выполнен герметичным.

Кроме перечисленного, внутри любого винчестера обязательно находится печатная плата с электронными компонентами, которые необходимы для нормального функционирования устройства привода. Так, например, электронная схема расшифровывает команды контроллера жесткого диска, стабилизирует скорость вращения двигателя, генерирует сигналы для головок записи и усиливает их от головок чтения и т. п.

Непременными компонентами большинства винчестеров являются барометрические фильтры, выравнивающие внутреннее и наружное давления, а также обычные воздушные фильтры.

Если говорить о характеристиках винчестеров, то в настоящее время их емкость для разных типов может изменяться от 10 до 30 и более Гбайт. НЖМД меньшей емкости найти достаточно сложно, поскольку фирмы-изготовители прекратили их выпуск. Среднее время поиска данных составляет 10 … 12 мс. Время безотказной работы (по данным фирм-производителей) находится в пределах 300 000 … 500 000 часов.

 

Одной из разновидностей накопителей на магнитных дисках являются накопители на сменных жестких дисках. Они представляют собой устройства внешней памяти, в которых в качестве носителей информации используются пластины с магнитным покрытием, заключенные в специальные контейнеры - картриджи. Подобные накопители имеют, как правило, внешнее исполнение. Сам привод внешне во многом похож на накопитель для 5,25- или 3,5-дюймовых флоппи-дисков. Одним из основных достоинств накопителей на сменных жестких дисках является возможность переносить с одного компьютера на другой большие массивы данных (от 100 до 4700 Мбайт). Скорость передачи данных может изменяться для накопителей различных фирм и типов в пределах от 0,1 до 12 Мбайт/с, а время доступа – от 10 до 30 мс. Такие высокие характеристики достигаются, в первую очередь, за счет высокой скорости вращения диска – около 3000 об/мин.

 

ВЗУ на оптических дисках (НОД). Техника НОД берет начало в области методов бытовой звуковой оптической записи. Принцип работы всех существующих ныне оптических дисководов основан на использовании луча лазера для записи и чтения информации в цифровом виде. В процессе записи модулированный цифровым сигналом лазерный луч оставляет на активном слое оптического носителя след, который затем можно прочитать, направив на него луч меньшей интенсивности и проанализировав изменение характеристик отраженного луча.

По функциональному признаку НОД делятся на три категории:

НОД без возможности записи (CD-ROM);

НОД с однократной записью и многократным чтением (WORM);

НОД с возможностью перезаписи (CD-R).

Первая категория НОД использует технологию CD-ROM, которая возникла как продолжение технологии CD для цифровой записи звука. Компакт-диски, подобно грампластинкам, записываются на заводе изготовителе и используются для распространения больших объемов информации, предназначенной только для чтения. Пользователь не имеет возможности ни стереть, ни записать информацию на таком диске, что является недостатком накопителей CD-ROM. В то же время они имеют и ряд достоинств. Среди них можно выделить следующие:

по сравнению с винчестерами, CD значительно надежнее в транспортировке;

компакт-диски имеют большую емкость: объем данных достигает 500 … 700 Мбайт;

диски являются сменными;

CD практически не изнашивается.

В отличие от винчестера, дорожки которого представляют концентрические окружности, компакт-диск содержит всего одну физическую дорожку, которая имеет форму непрерывной спирали, идущей от наружного диаметра диска к внутреннему. Тем не менее, одна физическая дорожка может быть разбита на несколько логических.

Считывание информации с компакт-диска происходит с помощью лазерного луча. Луч, попадая на отражающий свет островок, отклоняется на фотодетектор, который интерпретирует это как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, рассеивается и поглощается - фотодетектор фиксирует двоичный нуль. В качестве отражающей поверхности обычно используется алюминий.

В то время как все магнитные диски вращаются с постоянным числом оборотов в минуту, т. е. с неизменной угловой скоростью, компакт-диск вращается обычно с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить постоянную линейную скорость при чтении. Таким образом, чтение внутренних секторов диска осуществляется с увеличенным, а наружных – с уменьшенным числом оборотов. Именно этим обусловливается достаточно низкая скорость доступа к данным компакт дисков по сравнению, например, с винчестерами.

Оптические дисководы второй категории, основанные на технологии WORM, отличаются тем, что на оптическом диске в таких дисководах можно самостоятельно записывать информацию. Однако однажды записанную информацию ни стереть, ни перезаписать нельзя. Поэтому НОД данной категории удобны только для архивирования и особенно полезны в областях, где принципиально важно хранить единожды записанную информацию в неизменном виде.

Поистине революцией явилась технология перезаписываемых ОД (CD-R). НОД с возможностью перезаписи – это функциональные эквиваленты, а следовательно, и потенциальные конкуренты НМД.

В качестве носителя информации в НОД применяются жесткие диски, покрытые специальным оптическим материалом. Сами диски обычно изготавливаются из поликарбоната, хотя некоторые разработчики предпочитают использовать стекло.

 

Накопители на магнито-оптических дисках (НМОД) вобрали в себя достоинства как НМД так и НОД. Именно по этой причине при классификации мы отнесли их одновременно к накопителям обоих классов. При создании НМОД были объединены достижения магнитной и оптической технологий. Новые устройства сочетают портативность флоппи-диска, среднюю скорость работы винчестера, надежность оптического компакт-диска и емкость, сравнимую с кассетой хорошего стримера.

НМОД представляет собой накопитель информации, в основу которого положен магнитный носитель с оптическим (лазерным) управлением. Запись данных на МОД производится обычными магнитными средствами. Поверхность носителя покрыта магнитным материалом, который при обычной температуре (из-за высокой коэрцитивной силы) не может быть перемагничен приложенным к нему полем смещения. Поэтому для нагрева поверхности носителя используется лазерный луч. Считывание данных с носителя происходит только с помощью луча лазера, но уже меньшей мощности.

Магнитооптические диски (МОД) обеспечивают длительное хранение больших объемов данных. По данным фирм-производителей, срок хранения информации на МОД составляет порядка 50 лет.

В отличие от накопителя на оптических дисках, НМОД позволяет перезаписывать диск многократно. МОД нашли применение в качестве устройств резервного хранения данных и переноса данных между ПЭВМ. Емкость НМОД в настоящее время достигает 20 Мбайт.

В качестве недостатков НМОД можно выделить:

высокую стоимость;

относительно низкое быстродействие (скорость вращения диска составляет 720 об/мин, вследствие чего данные считываются со скоростью примерно 100 Кбайт/с).