Файл: Сравнительный анализ способов и устройств хранения информации.pdf

Несмотря на то, что в регистрах находятся данные, сложно считать этот рабочий элемент процессора «носителем информации», поэтому его оценка по общим критериям производиться не будет.

Несмотря на то, что доступ процессора к информации, хранящейся в оперативной памяти, осуществляется достаточно быстро, этот процесс по длительности на один-два порядка медленнее, чем циклы процессора, то есть после запроса какой-то информации из оперативной памяти процессор мог бы выполнить до нескольких сотен инструкций, однако вынужден простаивать. Кэш процессора – это способ оптимизировать работу с оперативной памятью. Кэш представляет из себя очень быструю память малого объёма (от нескольких десятков килобайт до нескольких мегабайт), в которую подгружается информация из оперативной памяти, которую процессор может в скором будущем потребовать. Кэш реализуется в виде статической полупроводниковой оперативной памяти, в которой каждый двоичный или троичный разряд хранится в схеме с положительной обратной связью (SRAM). Доступ к кэшу примерно на порядок быстрее, чем доступ к оперативной памяти. В современных компьютерах, как правило, есть три уровня кэша, каждый более медленный и более объёмный, чем предыдущий [21.]. Без использования кэша компьютеры работали бы намного медленнее, а программисты на низкоуровневых языках, таких, как C/C++, стараются использовать знания о существовании и принципах работы кэша в своей работе для оптимизации своих программ. Так, например, обращение к последовательным элементам массива намного быстрее, чем обращение к элементам связного списка, потому что после обращения к первому элементу списка в кэш подгружаются и последующие элементы, находящиеся последовательно друг за другом в памяти, так как логика работы кэша «предсказывает», что рядом находящуюся информацию могут запросить следующей. Элементы же связного списка, находящиеся в случайных местах в памяти, не оптимизируются таким образом, поэтому использование связных списков должно быть ограничено ситуациями, где эта структура данных действительно необходима.

Таблица 8

Оценка кэша процессора как носителя информации

То, что мы чаще всего называем «оперативная память» или «основная память» - это DRAM (динамическая память с произвольным доступом) - память, реализованная на основе полупроводниковых материалов, отличающаяся энергозависимостью и возможностью доступа к данным, хранящимся в произвольных ячейках памяти. Физически DRAM состоит из ячеек, представляющих из себя ёмкости в полупроводниковом материале. Каждая ёмкость хранит бит данных, «0» или «1» в зависимости от высокого или низкого заряда. Ячейки такой памяти имеют свойство постепенно разряжаться (из-за токов утечки и пр.), поэтому нуждаются в периодической подзарядке (раз в несколько десятков или сотен миллисекунд, в зависимости от технологии), которая осуществляется путём запроса к этой ячейке. Благодаря динамической поддержке заряда с помощью запросов DRAM и получила своё название (динамическая) [22.].

Точечное обращение к конкретной ячейке с битом данных невозможно – минимально адресуемый размер памяти составляет одну строку, состоящую из 8 ячеек (байт). Для удобства работы с памятью определённое количество строк и столбцов ячеек называется страницей, а совокупность страниц называется банком. Физически, DRAM состоит из печатной платы, на которой расположены микросхемы памяти, и разъёма, необходимого для подключения модуля к материнской плате [22.].

Оперативная память – наиболее объёмная из видов памяти, к которым процессор может обращаться напрямую. Информация, хранящаяся на вторичных носителях, должна быть сперва записана в оперативную память, и затем считана процессором оттуда, поэтому запись и чтение из неё происходит быстрее, чем из любого вторичного носителя информации. Она энергозависима, постоянно перезаписывается, и не используется для переноса информации с одого компьютера на другой.

Таблица 9

Оценка оперативной памяти как носителя информации

Вторичная память

Характерной особенностью тех носителей инфоромации, которые относятся ко «вторичной памяти» является то, что процессор не может обращаться к ним напрямую. Из-за этого скорость чтения и записи информации во вторичную память всегда ниже, чем в рабочую память. Однако вторичная память может иметь такие преимущества, как энергонезависимость, большой объём и относительная портативность, а также достаточно высокая долговечность [23.].

Первое, что приходит в голову компьютерному пользователю, когда произносят слова «память компьютера» - это объём жёсткого диска. За последние десятилетия объём этих носителей информации увеличился с нескольких гигабайт до нескольких терабайт, а при использовании «облачных» серверов объём информации, которую можно сохранить на жёстких дисках, ограничен лишь возможностями промышленных мощностей, производящих эти носители информации, и бюджетом их пользователя.

Технически, жёсткие диски основаны на принципе магнитной записи. Информация записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего диоксида хрома. Как правило, жёсткий диск состоит из нескольких таких пластин, расположенных друг над другом на одной оси. Информация записывается или считывается несколькими считывающими головками, при этом рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки. При записи на катушку головки подаётся переменный электрический ток, и возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска, изменяя направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению сопротивления в головке в зависимости от изменения напряжённости магнитного поля доменов [24.].

Как и их ранние «родственники», магнитные барабаны, жёсткие диски ограничены в скорости доступа к случайному участку хранящихся данных скоростью вращения. Этот параметр называется «время произвольного доступа» и составляет в среднем 5-10 миллисекунд, то есть намного медленнее доступа к случайным участкам оперативной памяти [25.]. Запись больших объёмов (сотни мегабайт и более) информации из оперативной памяти на диск и с диска в оперативную память может занимать достаточно долгое время – от нескольких секунд до нескольких минут и более, что в некоторых ситуациях не очень удобно для пользователя, например, при использовании видеофайлов высокого качества размером более нескольких гигабайт. Тем не менее, жёсткие диски идеально подходят для хранения больших объёмов информации, к которой обращаются не очень часто. Они достаточно долговечны и не требуют доступа электричества при хранении (хотя, безусловно, требуют его для чтения и записи данных). Их можно переносить между компьютерами, более того, существуют специальные портативные жёсткие диски, созданные для транспортировки больших объёмов информации.

Таблица 10

Оценка жёстких дисков как носителя информации

В начале XXI века параллельно жёстким дискам начала использоваться технология твердотельных накопителей, основанных на хранении данных в микросхемах. Они компактнее жёстких дисков, не издают шума при работе, а также более устойчивы к повреждениям (например, к падению) и обладают намного более высокой скоростью чтения и записи данных по сравнению с жёсткими дисками, превышая таковую у жёстких дисков на два-три порядка. Однако твердотельные накопители не вытеснили с рынка HDD по нескольким причинам. Во-первых, они в несколько раз дороже жёстких дисков в расчете на гигабайт данных. Во-вторых, они обладают низкой износостойкостью, то есть после определённого числа перезаписей (от 1000 до 10000) хранящихся на них данных они начинают выходить из строя, поэтому их не рекомендуется использовать в ситуациях, когда необходима частая запись и удаление новых данных, например, при использовании файла подкачки [26.]. Пока этот недостаток не будет преодолён, SSD останутся востребованными в качестве очень удобного дополнения к жёстким дискам, но не как полноценная их замена. Как и HDD, твердотельные накопители не требуют энергии для хранения данных и могут переноситься с одного компьютера на другой, имея также специальные портативные варианты исполнения.

Таблица 11

Оценка твердотельных накопителей как носителя информации

Портативные устройства хранения информации

Несмотря на то, что, как правило, устройства вторичной памяти можно переносить с одного компьютера на другой или хранить отдельно от вычислительного устройства вообще, их главная задача – хранить большие объёмы данных, часть которых может понадобиться данному компьютеру во время работы. Перенос этих устройств, как правило, сопряжён с рядом трудностей: необходимостью разбирать компьютер, громоздкостью и хрупкостью носителя информации, а также лишением исходного компьютера вторичной памяти и всей информации, которая там содержалась. К тому же, у рядовых пользователей редко возникает необходимость переносить информацию в объёмах, сравнимых с максимальным объёмом жёсткого диска. Специализированные для переноса информации устройства характеризуются компактностью, относительно небольшим объёмом и невысокой скоростью записи и чтения.

Первой технологией, рассмотренной в этой категории, будут CD-диски. Компакт-диски не оказались записаны в «устаревшие» носители информации вместе с дискетами лишь потому, что многие современные компьютеры обладают дисководами, способными их читать, а значит, при необходимости эти диски могут быть использованы и сейчас. В 90-е годы они произвели революцию в использовании персональных компьютеров и переносных устройств. Обладая ёмкостью в несколько сотен мегабайт, они позволяли в компактном виде переносить несколько музыкальных альбомов, фильм или игру с трёхмерной графикой [27.].

Физически, компакт-диск представляет из себя тонкий диск из прозрачного пластика (поликарбоната). На диске имеется спиральная дорожка для направления луча лазера при записи и считывании информации. Со стороны спиральной дорожки диск покрыт записываемым слоем, состоящим из тонкого слоя органического красителя и затем отражающего слоя, состоящего из серебра, сплавов серебра, золота, или, в случае CD-RW, из специального сплава серебра, способного при нагревании переходить в аморфное состояние. Данные с диска читаются при помощи лазерного луча с длиной волны 780 нм. Принцип считывания информации лазером для всех типов носителей заключается в регистрации изменения интенсивности отражённого света [Error: Reference source not found].

При записи данных на CD-R используется луч лазера повышенной мощности, который физически «прожигает» слой органического красителя. Когда краситель нагревается выше определённой температуры, он разрушается и темнеет, изменяя отражательную способность «прожжённой» зоны. В результате записи на записывающем слое получается чередование тёмных (прожжённых) и светлых пятен, которые несут информацию, доступную для считывания при измерении интенсивности отражённого света [29.].

Для CD-RW процесс записи, чтения и стирания данных иной, и основан на фазовых переходах между кристаллическим и аморфным состоянием, для которых характерны разные коэффициенты отражения (интенсивность отражённого света). Изначально рабочий слой диска, находящийся в кристаллическом состоянии подогревается лазером, переходит в расплав, быстро охлаждается и переходит в аморфное состояние. Считывание производится при пониженной интенсивности излучения лазера, не влияющей на фазовые переходы. Для новой записи необходимо вернуть рабочий слой в исходное кристаллическое состояние. Для этого используется средняя интенсивность лазера: лазер подогревает сплав примерно до 200°С, позволяя ему перейти в кристаллическое состояние [30.].