Файл: Сравнительный анализ способов и устройств хранения информации.pdf

• кэш L1, который обычно находится непосредственно внутри процессора и работает со скоростью процессора
• кэш L2 обычно является частью процессорного модуля, его скорость равна (или почти равна) скорости процессора, при этом он немного больше и медленнее кэша L1.

Некоторые компьютеры (чаще всего это высокопроизводительные серверы) имеют ещё кэш L3, который обычно расположен на материнской плате. Как можно догадаться, кэша L3 больше (и вероятнее всего медленнее), чем L2.

В любом случае, цель всех подсистем кэширования, как одноуровневых, так и многоуровневых — сократить среднее время доступа к ОЗУ.

1.3 CMOS-память 

CMOS-память  (изготовленная по технологии CMOS – complementary metal – oxide semiconductor) предназначена для длительного хранения данных о конфигурации и настройке компьютера (дата, время, пароль), в том числе и когда питание компьютера выключено. Для этого используют специальные электронные схемы со средним быстродействием, но очень малым энергопотреблением, питаемые от специального аккумулятора, установленного на материнской плате. Это полупостоянная память.

Данные записываются и считываются под управлением команд, содержащихся в другом виде памяти – BIOS.

1.4 BIOS - память

BIOS – постоянная память, т.е. память, хранящая информацию при отключенном питании теоретически сколь угодно долго, в которую данные занесены при ее изготовлении. Такой вид памяти называется ROM (read only memory). BIOS (Basic Input-Output System) – базовая система ввода-вывода – содержит наборы групп команд, называемых функциями, для непосредственного управления различными устройствами ПК, их тестирования при включении питания и осуществления начального этапа загрузки операционной системы компьютера. В BIOS содержится также программа настройки конфигурации компьютера – SETUP. Она позволяет установить некоторые характеристики устройств ПК. BIOS как система непосредственно ориентирована на конкретную аппаратную реализацию компьютера и может быть различной даже в однотипных компьютерах.

2. Внешние запоминающие устройства

В оперативной памяти данные хранятся до выключения питания. Однако существует информация, которую следует хранить долгое время. Для этого компьютеру необходима дополнительная память. Такого рода устройства называются периферийными или внешними запоминающими устройствами (ВЗУ). Таковыми являются накопители на магнитной ленте (стримеры), накопители на дискетах, винчестеры, CD-ROM, магнитооптические диски.
В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:
Они могут быть встроены в системный блок или выполнены в виде самостоятельных блоков, связанных с системным через его порты. Важной характеристикой внешней памяти служит ее объем. Объем внешней памяти можно увеличивать, добавляя новые накопители. Не менее важными характеристиками внешней памяти являются время доступа к информации и скорость обмена информацией. Эти параметры зависят от устройства считывания информации и организации типа доступа к ней.
По типу доступа к информации устройства внешней памяти делятся на два класса: устройства прямого (произвольного) доступа и устройства последовательного доступа. При прямом (произвольном) доступе время доступа к информации не зависит от ее места расположения на носителе. При последовательном доступе время доступа зависит от местоположения информации.
Скорость обмена информацией зависит от скорости ее считывания или записи на носитель, что определяется, в свою очередь, скоростью вращения или перемещения этого носителя в устройстве.
Внешняя (долговременная) память - это место хранения данных, не используемых в данный момент в памяти компьютера.
Устройства внешней памяти - это, прежде всего, магнитные устройства для хранения информации.
По способу записи и чтения информации запоминающие устройства можно подразделить на:
- накопители на жёстких магнитных дисках;
- накопители на гибких магнитных дисках;
- накопители на компакт-дисках;
- накопители на магнито-оптических компакт-дисках;
- виртуальные диски .

2.1 Жесткий магнитный диск 

Жесткий магнитный диск (винчестер, HDD – Hard Disk Drive) - энергонезависимое перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство ( рис.3).

Рисунок 3. Устройство жесткого магнитного диска

Является основным накопителем данных практически во всех компьютерах. Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники. Основа гермоблока – это корпус, внутри которого находятся все комплектующие жёсткого диска. Закрывается гермоблок крышкой для защиты от пыли и грязи.
Внутри гермоблока находятся диски (пластины) с магнитным покрытием, а также блок головок с устройством позиционирования и электропривод шпинделя. 
Диски жёстко закреплены на шпинделе электропривода. Электромотор вращает диски со скоростью, достигающей в некоторых моделях жёстких дисков до 15000 оборотов в минуту. Интегральная схема поддерживает скорость вращения двигателя постоянной. HDD помещен в почти полностью герметизированный корпус, изолирован от внешней среды, тем самым предотвращается попадание пыли и других частиц, которые могут повредить магнитный носитель или чувствительные головки для чтения/записи, располагаемые над поверхностью быстро вращающегося диска на расстоянии нескольких десятимиллионных долей дюйма.Сердце жёсткого диска – алюминиевая пластина, именно на ней хранятся все данные и пользовательские и служебные. Данные хранятся в узких дорожках на поверхности диска (более 200 тысяч таких дорожек). Каждая дорожка на диске разделена на секторы. Карта дорожек и секторов, записанная в контроллере, позволяет головке определить место, куда записать или где считать информацию.
Всю информацию запоминает ферромагнитная плёнка на поверхности диска. Для этого головка намагничивает микроскопическую область на этой плёнке, устанавливая магнитный момент такой ячейки в одно из значений ноль или единица. Каждый такой ноль или единица называются битами, а значение бита соответствует ориентации магнитного поля: плюсу или минусу. Принцип работы жёстких дисков следующий: ферромагнитная рабочая поверхность диска движется относительно считывающей магнитной головки, контроллер указывает место, откуда необходимо считать /записать данные. Для адресации поверхность диска делится на дорожки – концентрические кольцевые области, а дорожки делятся на секторы.
Высокая скорость вращения дисков в сочетании с сверхскоростным механизмом перемещения головок относительно дорожек – главные факторы, определяющие общую производительность жесткого диска. Тонкая плёнка на поверхности дисков может запомнить множество разной информации. На каждом квадратном сантиметре поверхности можно записать до 30 миллиардов битов.  Практически все современные жесткие диски выпускаются по технологии, использующей магниторезистивный эффект. Благодаря этому в последний год емкость дисков растет быстрыми темпами за счет повышения плотности записи информации. Итак, анализируем плюсы и минусы записи информации на жесткий магнитный диск (HDD)

Достоинства:

• очень высокая надежность хранения информации;
• большой объем для хранения данных;
• высокая скорость записи и удаления информации;
• самая маленькая стоимость хранения информации за 1мб;
• удобство при работе и организации данных.

Недостатки:

• в силу своих технических особенностей жесткие диски на магнитных дисках очень критичны к падению;
• Нельзя допускать сильного нагрева во время работы.

2.2. Гибкие диски

В 1971 году первые дискеты поступили в продажу, и это стало настоящей революцией в компьютерном мире. На гибком диске помещалось около 80 Кб информации. Люди, работавшие с компьютером, теперь могли сохранять результаты своего труда на дискете и переставали быть привязанными к конкретному компьютеру. К середине 1970-х миниатюризация компьютеров стала одной из основных тенденций. Дисковод для 8-дюймовых дискет весил чуть менее 10 кг и был слишком громоздким. Так в 1976 году появились дискеты размером 5,25 дюйма (от 360Кб до 1,20 Мб), ставшие на несколько лет стандартом для персональных компьютеров. В начале 1980-х их сменили 3,5-дюймовые дискеты (от 760Кб до 1,44Мб), предложенные компанией Sony. Гибкие магнитные диски помещаются в пластмассовый корпус ( рис.4).

Рисунок 4 Накопитель на гибких магнитных дисках, дискета

В центре дискеты имеется приспособление для захвата и обеспечения вращения диска внутри пластмассового корпуса. Дискета вставляется в дисковод, который вращается с постоянной угловой скоростью. Все дискеты перед употреблением форматируются – на них наносится служебная информация, обе поверхности дискеты разбиваются на концентрические окружности – дорожки, которые в свою очередь делятся на сектора. Одноименные сектора обеих поверхностей образуют кластеры. Магнитные головки примыкают к обеим поверхностям и при вращении диска проходят мимо всех кластеров дорожки. Перемещение головок по радиусу с помощью шагового двигателя обеспечивает доступ к каждой дорожке. Запись/чтение осуществляется целым числом кластеров, обычно под управлением операционной системы. Однако в особых случаях можно организовать запись/чтение и в обход операционной системы, используя напрямую функции BIOS. В целях сохранения информации гибкие магнитные диски необходимо предохранять от воздействия сильных магнитных полей и нагревания, так как такие воздействия могут привести к размагничиванию носителя и потере информации. Анализируем плюсы и минусы использования дискет. Достоинства:

• простота в работе;
• дешевизна;
• не требуется дополнительных программ для работы с дисководом

Недостатки:

• малый объем (1,44 Мб);
•  из-за использования магнитного принципа хранения информации дискеты не отличаются надежностью в плане длительного хранения этой самой информации;
• малый срок службы.

2.3 Компактный оптический диск 

Компактный оптический диск (CD) – это пластмассовый диск со специальным покрытием, на котором в цифровой форме размещается записанная информация (рис.5)

Рисунок 5 Накопитель на компакт-дисках, компакт-диск

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. «Прожигаемая» лазером цифровая информация сохраняется в виде «пит» – чёрточек шириной 0,6–0,8 мкм и длиной 0,9–3,3 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 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 по 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.

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. 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. В CD-RW в качестве промежуточного слоя также используется органический состав, который способен при сильном нагревеании переходить из кристаллического (прозрачного для лазера) состояния в аморфное. Слабый нагрев возвращает его обратно в кристаллическое состояние. Таким образом осуществляется перезапись.

Для того чтобы прочитать или записать информацию на один из 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.

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. 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 Gb данных. Но DVD могут изготавливаться по двухслойному стандарту, который позволяет увеличить количество хранимых на одной стороне данных до 8,5 Gb. Кроме этого, диски DVD бывают двухсторонними, что увеличивает емкость диска до 17 Gb. Но для того, чтобы считать DVD-диск, необходимо новое устройство (DVD-ROM), технология DVD совместима с технологией CD, и привод DVD-ROM читает и диски CD-диск, причем разных форматов.