Внешняя память винчестер. Что такое HDD, жёсткий диск и винчестер. На что обращать внимание при покупке внешнего жесткого диска

Что такое HDD, жёсткий диск и винчестер - эти слова являются разными широко распространёнными терминами одного и того же устройства, входящего в состав компьютера. В связи с необходимостью хранения информации на компьютере появились устройства, хранители информации как жёсткий диск и стали неотъемлемой частью персонального компьютера.

Ранее на первых вычислительных машинах информация хранилась на перфолентах - это картонная бумага с пробитыми дырками, следующим шагом человека в развитие компьютера появилась магнитная запись, принцип работы которой сохранён в нынешних жёстких дисках. В отличие от сегодняшних терабайтных HDD, информация для сохранения помещаемая на них насчитывала десятки килобайт, это ничтожные размеры по сравнению с сегодняшней информацией.

Для чего нужен HDD и его функционал

Жёсткий диск - это постоянное запоминающее устройство компьютера, то есть, его основная функция - долговременное хранение данных. HDD в отличие от оперативной памяти не считается энергозависимой памятью, то есть, после отключения питания от компьютера, а потом как следствие и от жёсткого диска, вся информация, ранее сохранённая на этом накопителе, обязательно сохранится. Получается, что жёсткий диск служит лучшим местом на компьютере для хранения личной информации: файлы , фотографии, документы и видеозаписи, явно будут долго храниться именно на нём, а сохранённую информацию можно будет использовать и в дальнейшем в своих нуждах.

ATA/PATA (IDE) - этот параллельный интерфейс служит не только для подключения жёстких дисков, но и устройств для чтения дисков - оптических приводов . Ultra ATA является самым продвинутым представителем стандарта и имеет возможную скорость использования данных информации до 133 мегабайт в секунду. Указанный способ передачи данных считается сильно устаревшим и в сегодняшние дни используются в устаревших компьютерах, на современных системных платах разъёма IDE уже найти не получится.

SATA (Serial ATA) - представляет из себя последовательный интерфейс, который стал хорошей заменой для устаревшего PATA и в отличие от него имеется возможность для подключения только одного устройства, но на бюджетных системных платах, имеется несколько разъёмов для подключения. Стандарт подразделяется на ревизии, имеющие разные скорости передачи/обмена данных:

• SATA имеет скорость обмена данных возможную до 150 Мб/с. (1.2 Гбит/с);
• SATA rev. 2.0 - у данной ревизии скорость обмена данными в сравнение с первым SATA интерфейсом выросла в 2 раза до 300 МБ/с (2,4 Гбит/с);
• SATA rev. 3.0 - обмен данных у ревизии стал ещё выше до 6 Гбит/с (600 МБ/с).

Все вышеописанные интерфейсы подключения семейства SATA взаимозаменяемы, но подключив, например, жёсткий диск с интерфейсом SATA 2 в разъём материнской платы SATA, обмен данных с жёстким диском будет проходит на основе самой старшей ревизии, в данном случает SATA ревизии 1.0.

Внешняя память - это память, предназначенная для длительного хранения программ и данных. Целостность содержимого ВЗУ не зависит от того, включен или выключен компьютер

Дисковод (накопитель) - устройство записи/считывания информации. Накопители имеют собственное имя – буква латинского алфавита, за которой следует двоеточие. Для подключения к компьютеру одного или несколько дисководов и управления их работой нужен Дисковый контроллер

Носитель информации (носитель записи) – материальный объект, способный хранить информацию. Информация записывается на носитель посредством изменения физических, химических и механических свойств запоминающей среды

По типу доступа к информации внешнюю память делят на два класса:

Устройства прямого (произвольного) доступа – время обращения к информации не зависит от места её расположения на носителе;

Устройство последовательного доступа – такая зависимость существует

В состав внешней памяти входят: 1) накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД); 2) накопители на гибких магнитных дисках (НГМД); 3) накопители на магнитооптических компакт дисках; 4) накопители на оптических дисках (CD-ROM); 5) накопители на магнитной ленте и др.

НГМД - накопители на гибких магнитных дисках

Предназначены для хранения небольших объемов информации

Следует оберегать от сильных магнитных полей и нагревания

Это носители произвольного (прямого) доступа к информации

Используются для переноса данных с одного компьютера на другой

Для работы с информации носитель должен быть отформатирован, т.е. должна быть произведена магнитная разметка диска на дорожки и секторы

Скорость обмена информации зависит от скорости вращения дисковода. Для обращения к диску, вставленному в дисковод, присваивается имя А:

Объём ГМД сравнительно небольшой (3,5 дюйма - 1,44 Мбайт)

Диски называются гибкими потому, что их рабочая поверхность изготовлена из эластичного материала и помещена в твердый защитный конверт. Для доступа к магнитной поверхности диска в защитном конверте имеется закрытое шторкой окно. Поверхность диска покрыта специальным магнитным слоем (1- намагниченный участок, 0 – не намагниченный). Информация записывается с двух сторон диска на дорожки в виде концентрических окружностей. Дорожки разбиваются на секторы. Современные дискетки имеют программную разметку. На каждом секторе выделяется участок для его идентификации, а на остальное место записываются данные. Дисковод снабжен двумя двигателями. Один обеспечивает вращение внутри защитного конверта. Второй перемещает головку записи/чтения вдоль радиуса поверхности диска. В защитном конверте имеется специальное окно защиты записи. С помощью бегунка это окно открывают и дискета становится доступна только на чтение, а на запись доступа не будет. Это предохраняет информацию на диске от изменения и удаления.

НЖМД - накопители на жестких магнитных дисках

Предназначены для хранения той информации, которая наиболее часто используется в работе - программ операционной системы, компиляторов, сервисных программ, прикладных программ пользователя, текстовых документов, файлов базы данных

Следует оберегать от ударов при установке и резких перемещений в пространстве

Это носители с произвольным доступом к информации

Для хранения информации разбивается на дорожки и секторы

Скорость обмена информации значительно выше ГД

Объём ЖД измеряется от Мбайт до сотен Гбайт

НЖМД встроены в дисковод и являются несъемными. Они представляют собой несколько алюминиевых дисков с магнитным покрытием, заключенных в единый корпус с электродвигателем, магнитными головками и устройством позиционирования. К магнитной поверхности диска подводится записывающая головка, которая перемещается по радиусу диска с внешней стороны к центру. Во время работы дисковода диск вращается. В каждом фиксированном положении головка взаимодействует с круговой дорожкой. На эти концентрические дорожки и производится запись двоичной информации. Благодаря хорошей защищенности от пыли, влаги и других внешних воздействий достигают высокой плотности записи, в отличии от дискет.

Для обращения к НЖМД используется имя, задаваемое прописной латинской буквой, начиная с С: , но с помощью специальной системной программы можно разбить свой физический ЖД на несколько логических дисков, каждому из которых дается соответствующее имя.

Накопители на жестких магнитных дисках часто называют винчестер - по первой модели ЖД, имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что совпало с калибром 30?/30? охотничьего ружья

Оптические (лазерные) CD и DVD диски

Предназначены для хранения любого вида информации

Информацию на CD записывается с помощью лазерного луча

Следует оберегать от царапин и загрязнения поверхности

Это носители прямого (произвольного) доступа к информации

Объем (ёмкость) CD составляет сотни Мбайт; DVD -более 1Гбайта

Более долговечны и надежны, чем магнитные диски

CD – Compact Disk. Изготовляют из органических материалов с напылением на поверхность тонкого алюминиевого слоя. Лазерный диск имеет одну дорожку в виде спирали. Информация записывается отдельными секторами мощным лазерным лучом, выжигающим на поверхности диска углубления, и представляет собой чередование впадин и выпуклостей. При считывании информации выступы отражают свет слабого лазерного луча и воспринимаются как «1», впадины поглощают луч и, воспринимаются как «0». Это бесконтактный способ считывания информации. Срок хранения 50-100лет

DVD – Digital Video Disk. Имеет те же размеры, что и CD. Объем - Гбайт. Может быть односторонним или двухсторонним, а на каждой стороне может быть 1 или 2 рабочих слоя.

Накопители на магнитных лентах (НМЛ)

Используют для резервного (относительно медленного) копирования и хранения больших объемов информации (архивы)

Устройство для записи и считывания магнитных лент называется стример

Это устройство последовательного доступа к информации

корость передачи данных по шине дискового интерфейса - это далеко не единственный параметр, влияющий на быстродействие винчестера в целом. Наоборот, производительность жестких дисков с одинаковым типом интерфейса иногда очень существенно различается. В чем же причина?

Дело в том, что жесткий диск является совокупностью большого количества разнообразных электронных и электромеханических устройств. Быстродействие же механических компонентов винчестера существенно уступает быстродействию электроники, в состав которой входит и шинный интерфейс. Общая производительность диска, к сожалению, определяется по скорости работы самых медленных компонентов. «Горлышком бутылки» при передаче данных между накопителем и компьютером является именно внутренняя скорость передачи - параметр, определяемый быстродействием механики винчестера, что является одной из причин ремонта ноутбуков. Поэтому в самых современных режимах обмена PIO 4 и UltraDMA максимально возможная пропускная способность интерфейса в ходе реальной работы с накопителем почти никогда не достигается. Для определения быстродействия механических компонентов, а также всего накопителя необходимо знать следующие параметры.

Частота вращения дисков - количество оборотов, совершаемых пластинами (отдельными дисками) винчестера в минуту. Чем выше частота вращения, тем быстрее происходит запись или считывание данных. Типичное значение этого параметра для большинства современных EIDE-дисков - 5400 об/мин. В некоторых новейших накопителях диски вращаются с частотой 7200 об/мин. Технический предел, достигнутый на сегодняшний день, - 10000 об/мин - реализован в SCSI-накопителях серии Seagate Cheetah.

Среднее время поиска - среднестатистическое время, необходимое для позиционирования блока головок из произвольного положения на заданную дорожку для чтения или записи данных. Типичное значение этого параметра для новых винчестеров составляет от 10 до 18 мс, причем хорошим можно считать время доступа 11-13 мс. В наиболее быстродействующих SCSI-моделях значение времени доступа - меньше 10 мс.

Среднее время доступа - среднестатистический отрезок времени от выдачи команды на операцию с диском до начала обмена данными. Это - составной параметр, включающий в себя среднее время поиска, а также половину периода вращения диска (с учетом того, что данные могут находиться в произвольном секторе на нужной дорожке). Параметр определяет величину задержки до начала считывания нужного блока данных, а также общую производительность при работе с большим количеством мелких файлов.

Внутренняя скорость передачи-скорость обмена данными между интерфейсом диска и носителями (пластинами). Значения этого параметра существенно различаются для чтения и записи. Они определяются частотой вращения дисков, плотностью записи, характеристиками механизма позиционирования и другими параметрами накопителя. Именно эта скорость имеет решающее влияние на быстродействие накопителя в установившемся режиме (при чтении большого цельного блока данных). Превышение общей скорости передачи над внутренней достигается только при обмене данными между интерфейсом и кэш-памятью винчестера без немедленного обращения к пластинам. Поэтому на быстродействие накопителя влияет еще один параметр, а именно…

…объем кэш-памяти. Кэш-память - обычное электронное ОЗУ, установленное на винчестере. Данные после считывания с винчестера одновременно с передачей их в память компьютера попадают и в кэш-память. Если эти данные потребуются снова, они будут считаны не с пластин, а из кэш-буфера. Это позволяет значительно ускорить обмен данными. Для повышения эффективности кэш-памяти разработаны специальные алгоритмы, выявляющие наиболее часто используемые данные и помещающие в кэш именно их, что повышает вероятность того, что при следующем обращении будут затребованы данные именно из электронного ОЗУ - произойдет так называемое «попадание в кэш». Естественно, чем больше объем кэш-памяти, тем быстрее обычно работает диск.

Похожая информация.

Персональный компьютер: внешняя память

Внешняя память - это память, реализованная в виде внешних, относительно материнской платы, устройств с разными принципами хранения информации и типами носителя, предназначенных для долговременного хранения информации. В частности, в внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Устройства внешней памяти могут размещаться как в системном блоке компьютера, так и в отдельных корпусах. Физически, внешняя память реализована в виде накопителей. Накопители - это запоминающие устройства, предназначенные для продолжительного (что не зависит от электропитания) хранения больших объемов информации. Емкость накопителей в сотни раз превышает емкость оперативной памяти или вообще неограниченная, когда речь идет о накопителях со сменными носителями.

Накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и соответствующего привода. Различают накопители с сменными и постоянными носителями. Привод - это объединение механизма чтения-записи с соответствующими электронными схемами управления. Его конструкция определяется принципом действия и видом носителя. Носитель - это физическая среда хранения информации, по внешнему виду может быть дисковым или ленточным. По принципу запоминания различают магнитные, оптические и магнитооптичческие носители. Ленточные носители могут быть лишь магнитными, в дисковых носителях используют магнитные, магнитооптические и оптические методы записи-считывания информации.

Самыми распространенными являются накопители на магнитных дисках, которые делятся на накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) и накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), и накопители на оптических дисках, такие как накопители CD-ROM, CD-R, CD-RW и DVD-ROM.

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД)

НЖМД - это основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. Другие названия: жесткий диск, винчестер, HDD (Hard Disk Drive). Внешне, винчестер представляет собой плоскую, герметически закрытую коробку, внутри которой находятся на общей оси находятся несколько жестких алюминиевых или стеклянных пластинок круглой формы. Поверхность любого из дисков покрыта тонким ферромагнитным слоем (вещество, которое реагирует на внешнее магнитное поле), собственно на нем хранятся записанные данные. При этом запись проводится на обе поверхности каждой пластины (кроме крайних) с помощью блока специальных магнитных головок. Каждая головка находится над рабочей поверхностью диска на расстоянии 0,5-0,13 мкм. Пакет дисков вращается непрерывно и с большой частотой (4500-10000 об/мин), поэтому механический контакт головок и дисков недопустим.

Запись данных в жестком диске осуществляется следующим образом. При изменении силы тока, проходящего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в щели между поверхностью и головкой, что приводит к изменению стационарного магнитного поля ферромагнитных частей покрытия диска. Операция считывания происходит в обратном порядке. Намагниченные частички ферромагнитного покрытия являются причиной электродвижущей силы самоиндукции магнитной головки. Электромагнитные сигналы, которые возникают при этом, усиливаются и передаются на обработку.

Работой винчестера руководит специальное аппаратно-логическое устройство - контроллер жесткого диска. В прошлом это была отдельная дочерняя плата, которую подсоединяли через слоты к материнской плате. В современных компьютерах функции контроллера жесткого диска выполняют специальные микросхемы, расположенные в чипсете.

В накопителе может быть до десяти дисков. Их поверхность разбивается на круги, которые называются дорожками (track). Каждая дорожка имеет свой номер. Дорожки с одинаковыми номерами, расположенные одна над другой на разных дисках образуют цилиндр. Дорожки на диске разбиты на секторы (нумерация начинается с единицы). Сектор занимает 571 байт: 512 отведено для записи нужной информации, остальные под заголовок (префикс), определяющий начало и номер секции и окончание (суффикс), где записана контрольная сумма, нужная для проверки целостности хранимых данных. Секторы и дорожки образуются во время форматирования диска. Форматирование выполняет пользователь с помощью специальных программ. На неформатированный диск не может быть записана никакая информация. Жесткий диск можно разбить на логические диски. Это удобно, поскольку наличие нескольких логических дисков упрощает структуризацию данных, хранящихся на жестком диске.

Существует огромное количество разных моделей жестких дисков многих фирм, таких как Seagate, Maxtor, Quantum, Fujitsu и т.д. Для обеспечения совместимости винчестеров, разработаны стандарты на их характеристики, определяющие номенклатуру соединительных проводников, их размещение в переходных разъемах, электрические параметры сигналов. Распространенными являются стандарты интерфейсов IDE (Integrated Drive Electronics) или ATA и более продуктивные EIDE (Enhanced IDE) и SCSI (Small Computer System Interface). Характеристики интерфейсов, с помощью которых винчестеры связаны с материнской платой, в значительной степени определяют производительность современных жестких дисков.

Среди других параметров, которые влияют на быстродействие HDD следует отметить следующие:

• скорость обращения дисков - в наше время выпускаются накопители EIDE с частотой обращения 4500-7200 об/мин, и накопители SCSI - 7500-10000 об/мин;
• емкость кэш-памяти - во всех современных дисковых накопителях устанавливается кэш-буфер, ускоряющий обмен данными; чем больше его емкость, тем выше вероятность того, что в кэш-памяти будет необходимая информация, которую не надо считывать с диска (этот процесс в тысячи раз медленней); емкость кэш-буфера в разных устройствах может изменяться в границах от 64 Кбайт до 2Мбайт;
• среднее время доступа - время (в миллисекундах), на протяжении которого блок головок смещается с одного цилиндра на другой. Зависит от конструкции привода головок и составляет приблизительно 10-13 миллисекунд;
• время задержки - это время от момента позиционирования блока головок на нужный цилиндр до позицирования конкретной головки на конкретный сектор, другими словами, это время поиска нужного сектора;
• скорость обмена - определяет объемы данных, которые могут быть переданы из накопителя к микропроцессору и в обратном направлении за определенные промежутки времени; максимальное значение этого параметра равно пропускной способности дискового интерфейса и зависит от того, какой режим используется: PIO или DMA; в режиме PIO обмен данными между диском и контроллером происходит при непосредственном участии центрального процессора, чем больше номер режима PIO, тем выше скорость обмена; работа в режиме DMA (Direct Memory Access) разрешает передавать данные непосредственно в оперативную память без участия процессора; скорость передачи данных в современных жестких дисках колеблется в диапазоне 30-60 Мбайт/с.

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД)

НГМД или дисковод вмонтирован в системный блок. Гибкие носители для НГМД выпускают в виде дискет (другое название флоппи-диск). Собственно, носитель - это плоский диск со специальной, достаточно плотной пленкой, покрытой ферромагнитным слоем и помещенной в защитный конверт с подвижной задвижкой в верхней части. Дискеты используются, в основном, для оперативного переноса небольших объемов информации с одного компьютера на другой. Данные, записанные на дискете можно защитить от стирания или перезаписи. Для этого нужно передвинуть маленькую защитную задвижку в нижней части дискеты таким образом, чтобы образовалось открытое окошко. Для того, чтобы разрешить запись, эту задвижку следует переместить назад и закрыть окошко.

Лицевая панель дисковода выведена на переднюю панель системного блока, на ней расположены карман, закрытый шторкой, куда вставляют дискету, кнопка для вынимания дискеты и лампочка-индикатор. Дискета вставляется в дисковод верхней задвижкой вперед, ее нужно вставить в карман накопителя и плавно продвинуть вперед до щелчка. Правильное направление вставления дискеты помечено стрелкой на пластиковом корпусе. Чтобы вынуть дискету из накопителя, нужно нажать на его кнопку. Световой индикатор на дисководе показывает, что устройство занято (если лампочка горит, вынимать дискету не рекомендуется). В отличие от жесткого диска, диск в НГМД приводится во вращение только при команде чтения или записи, в другое время он находится в покое. Головка чтения-записи во время работы механически контактирует с поверхностью дискеты, что приводит к быстрому изнашиванию дискет.

Как и в случае жесткого диска, поверхность гибкого диска разбивается на дорожки, которые в свою очередь разбиваются на секторы. Секторы и дорожки получаются во время форматирования дискеты. Сейчас дискеты поставляются отформатироваными.

Основными параметрами дискеты является технологический размер (в дюймах), плотность записи и полная емкость. По размерам различают 3,5-дюймовые дискеты и 5,25-дюймовые дискеты (сейчас уже не используются). Плотность записи может быть простой SD (Single Density), двойной DD (Double Density) и высокой HD (High Density). Стандартная емкость 3,5-дюймовой дискеты - 1,44 Мбайт, возможно использование дискет емкостью 720 Кбайт. В настоящее время стандартом являются дискеты размером 3,5 дюйма, высокой плотности HD, имеющие емкость 1,44 Мбайта.

Во время пользования дискетой следует придерживаться таких правил:

• не касаться рабочей поверхности дискеты;
• не выгибать дискету;
• не снимать металлическую задвижку, загрязненная дискета может повредить головки;
• сохранять дискеты подальше от источника магнитных полей;
• перед использованием проверить дискету на наличие вирусов с помощью антивирусной программы.

Накопители на оптических дисках

Накопитель CD-ROM

Начиная с 1995 года в базовую конфи-гурацию персонального компьютера вместо дисководов на 5,25 дюймов начали включать дисковод CD-ROM. Аббревиатура CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory) переводится как постоянное запоминающее устройство на основе компакт-дисков. Принцип действия этого устройства состоит в считывании цифровых данных с помощью лазерного луча, который отражается от поверхности диска. В качестве носителя информации используется обычный компакт-диск CD. Цифровая запись на компакт-диск отличается от записи на магнитные диски высокой плотностью, поэтому стандартный CD имеет емкость порядка 650-700 Мбайт. Такие большие объемы характерны для мультимедийной информации (графика, музыка, видео), поэтому дисководы CD-ROM относятся к аппаратным средствам мультимедиа. Кроме мультимедийних изданий (электронные книги, энциклопедии, музыкальные альбомы, видеофильмы, компьютерные игры) на компакт-дисках распространяется разнообразное системное и прикладное программное обеспечения больших объемов (операционные системи, офисные пакеты, системы программирования и т.д.)

Компакт-диски изготовляют из прозрачного пластика диаметром 120 мм. и толщиной 1,2 мм. На пластиковую поверхность напыляется слой алюминия или золота. В условиях массового производства запись информации на диск происходит путем выдавливания на поверхности дорожки, в виде ряда углублений. Такой подход обеспечивает двоичную запись информации. Углубление (pit - пит), поверхность (land - лэнд). Логический нуль может быть представлен как питом, так и лэндом. Логическая единица кодируется переходом между питом и лэндом. От центра к краю компакт-диска нанесена единственная дорожка в виде спирали шириной 4 микрона с шагом 1,4 микрона. Поверхность диска разбита на три области. Начальная (Lead-In) расположена в центре диска и считывается первой. В ней записано содержимое диска, таблица адресов всех записей, метка диска и другая служебная информация. Средняя область содержит основную информацию и занимает большую часть диска. Конечная область (Lead-Out) содержит метку конца диска.

Для штамповки существует специальная матрица-прототип (мастер-диск) будущего диска, которая выдавливает дорожки на поверхности. После штамповки, на поверхность диска наносят защитную пленку из прозрачного лака.

Накопитель CD-ROM содержит:

• электродвигатель, который вращает диск;
• оптическую систему, состоящую из лазерного излучателя, оптических линз и датчиков и предназначенную для считывания информации с поверхности диска;
• микропроцессор, который руководит механикой привода, оптической системой и декодирует прочитанную информацию в двоичный код.
• Компакт-диск раскручивается электродвигателем. На поверхность диска с помощью привода оптической системы фокусируется луч из лазерного излучателя. Луч отражается от поверхности диска и сквозь призму подается на датчик. Световой поток превращается в электрический сигнал, который поступает в микропроцессор, где он анализируется и превращается в двоичный код.

Основные характеристики CD-ROM:

• скорость передачи данных - измеряется в кратных долях скорости проигрывателя аудио компакт-дисков (150 Кбайт/сек) и характеризует максимальную скорость с которой накопитель пересылает данные в оперативную память компьютера, например, 2-скоростной CD-ROM (2x CD-ROM) будет считывать данные с скоростью 300 Кбайт/сек., 50-скоростной (50x) - 7500 Кбайт/сек.;
• время доступа - время, нужное для поиска информации на диске, измеряется в миллисекундах.
• Основной недостаток стандартных CD-ROM - невозможность записывания данных, но существуют устройства однократной записи CD-R и многоразовой записи CD-RW.

Накопитель CD-R (CD-Recordable)

Внешне похожи на накопители CD-ROM и совместимые с ними по размерам дисков и форматам записи. Позволяют выполнить одноразовую запись и неограниченное количество считываний. Запись данных осуществляется с помощью специального программного обеспечения. Скорость записи современных накопителей CD-R составляет 4х-8х.

Накопитель CD-RW (CD-ReWritable)

Используются для многоразовой записи данных, причем можно как просто дописать новую информацию на свободное пространство, так и полностью перезаписать диск новой информацией (предудущие данные уничтожаются). Как и в случае с накопителями CD-R, для записи данных необходимо установить в системе специальные программы, причем формат записи совместимый с обычным CD-ROM. Скорость записи современных накопителей CD-RW составляет 2х-4х.

Накопитель DVD (Digital Video Disk)

Устройство для чтения цифровых видеозаписей. Внешне DVD-диск похож на обычный CD-ROM (диаметр - 120 мм, толщина 1,2 мм), однако отличается от него тем, что на одной стороне DVD-диска может быть записано до 4,7 Гбайт, а на двух - до 9,4 Гбайт. В случае использования двухслойной схемы записи на одной стороне можно разместить уже до 8,5 Гбайт информации, соответственно на двух сторонах - около 17 Гбайт. DVD-диски допускают перезапись информации.

Важнейшим фактором, сдерживающим широкое применение накопителей CD-R, CD-RW и DVD, является высокая стоимость как их самих, так и сменных носителей.

Контрольные вопросы

Что такое внешняя память? Какие разновидности внешней памяти вы знаете?

Что такое жесткий диск? Для чего он предназначен? Какую емкость имеют современные винчестеры?

Каким образом осуществляются операции чтения и записи в НЖМД?

В чем состоит операция форматирования магнитных дисков?

Какие есть типы стандартных дисковых интерфейсов?

Какие параметры влияют на быстродействие винчестера? Каким образом?

Что такое флоппи-диск? Что общее и различное между ним и жестким диском?

Каких правил следует придерживаться во время пользования дискетой?

Какие вы знаете разновидности накопителей на оптических дисках? Чем они различаются между собою?

Каким образом происходит считывание информации с компакт-дисков?

В чем измеряется скорость передачи данных в накопителях на оптических носителях?

В состав внешней памяти компьютера входят:

1) накопители на магнитных дисках. Их работа основана на принципе магнитной записи (предполагающем сохранение магнитными диполями ферромагнитного слоя направления воздействующего внешнего магнитного поля) данных:

На сменных гибких магнитных дисках - НГМД (Floppy Disk Drive, FDD флоппи-диск, zip-диск);

На жестких магнитных дисках типа винчестер НЖМД;

На сменных жестких дисках;

2) накопители на оптических и магнитооптических компакт-дисках;

3) накопители на магнитной ленте;

4) твердотельная полупроводниковая память.

1. Дисковые магнитные накопители. Информация на диск, покрытый слоем ферромагнитного вещества, записывается и считывается с помощью дисководов (приводов), имеющих позиционируемые головки считывания/записи с одной либо обеих сторон диска.

Гибкие диски (англ. floppy disk )являются «ветеранами» среди дисковых устройств, так как ими комплектовались первые модели IBM PC. С тех пор дисководы существенно изменились и, несмотря на увеличившуюся емкость, перестали быть основным средством хранения данных и программ. По сравнению с другими средствами хранения они обладают весьма малой емкостью и надежностью, поэтому используются в основном для оперативного переноса данных с жесткого диска одного компьютера на жесткий диск другого, а также создания архивных копий.

Информация на магнитных дисках записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей – дорожек (треков). Количество дорожек на магнитном диске и их информационная емкость зависят от типа магнитного диска, конструкции накопителя, качества магнитных головок и магнитного покрытия. Каждая дорожка магнитного диска разбита на секторы. Формирование дорожек, секторов и запись специальных меток, идентифицирующих прежде всего номера дорожек обеспечивает низкоуровневая разметка (фор-

матирование). В одном секторе дорожки может быть помещено 128,

256, 512 или 1024 байт. Обмен данными между накопителем на маг-

нитном диске и оперативной памятью осуществляется последовательно целым числом секторов. Кластер – это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки (рисунок 3.18).

Основные параметры дисков:

1. Формфактор. Все диски: и магнитные, и оптические характеризуются своим диаметром, или иначе, формфактором. До настоящего времени используются диски с формфактором 3,5" (89 мм).

2. Плотность записи. Все современные дискеты и дисководы явля­ются двусторонними, высокой плотности (маркировка - Double Sided High Density, DS/HD).

3. Полная емкость. Диски с формфактором 3,5" имеют емкость 1,44 мегабайта.

4. Время доступа и скорость чтения данных подряд.

Рисунок 3.18 - Логическая структура поверхности магнитного диска

Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (флоппи-дисковод от англ. floppy-disk drive ), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 мин –1 . В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

Рядом фирм выпускаются флоптические гибкие диски - диски сверхвысокой плотности (Very High Density). Это трехдюймовые диски с ферромагнитным слоем, нанесенным сложной технологией. На диск можно записать до 21 Мбайт данных. Диск содержит до 755 дорожек, каждая из которых имеет по 27 сек­торов стандартного размера. Частота вращения дис­ка порядка 720 об/мин. Позиционирование головок в дисководе ведется с использованием лазерного датчика. Скорость обмена достигает 10 Мбайт/с. На­копители на таких дисках могут быть использованы для записи и считывания информации стандартных трехдюймовых дискет емкостью до 1,44 Мбайт.

Для пользователей компьютеров интересны накопители на сменных гибких дис­ках - накопители семейства ZIP со сменными магнитными дисками 3,5 дюйма емкостью 100-120 Мбайт. Модели ZIP выпускаются как внутренние, так и внешние. Они вращаются со скоростью 3000 об/мин, имеют среднее время доступа порядка 29 мс, обеспечива­ют передачу данных со скоростью 790 кбайт/с (при использовании стандартного принтерного порта LPT) и 1,4 Мбайт/с (для встроенного накопителя со SCSI-кон­троллером). Нынешние накопители ZIP 750 ориентированы на работу с носителями ёмкостью 750 Мбайт. Дисководы ZIP, реализующие технологию LS-120 (Super Disk), читают не только диски емкостью 120 Мбайт, но и флоппи-диски емкостью 1,44 Мбайт.

Zip дисководы включены в качестве стандартного накопителя в новые компьютеры Apple, Compaq, Dell, Gateway2000, Hewlett-Packard, IBM, Packard Bell и др. Новые модели (в том числе и Zip Plus) сравнимы по скорости считывания данных с высокоскоростными приводами CD-ROM. К недостаткам Zip можно отнести не самую высокую скорость передачи данных, несовместимость с флоппи.

Накопители HiFD – позволяют сохранять на одном съемном магнитном диске (имеющем габариты обычной дискеты) до 200 Мб данных. Высокая скорость передачи данных (до 3,6 Мб/c) достигается за счет угловой скорости вращения носителя, равной 3600 об/мин и использования высокой поверхностной плотности записи информации. Подобно накопителю на жестком диске, головка в технологии HiFD парит над поверхностью пластины, что значительно снижает износ как самой головки, так и носителя (рисунок 3.19).

Рисунок 3.19 - Накопитель HiFD

Накопители jAZ – приближаются к жестким дискам, но являются сменными. На одном диске можно разместить 1-2 Гб. В них используются две 3,5-дюймовых пластины в изолированном картридже. Среди скоростных накопителей большого объема лидерство сохраняется за jAZ .

Дисковые массивы. Для увеличения емкости внешних устройств хранения данных с повышенной надежностью применяют RAID-накопители. Это объединение нескольких дисковых накопителей в один логический диск большой емкости (сотни гигабайт). Такие накопители могут быть встраиваемы в корпус компьютера и размещаемы в отдельных стойках. RAID-накопители обладают повышенными скоростями обмена и надежностью хранения данных. Работа массива дисков организуется под управлением RAID-контроллера. Необходимость использования RAID-накопителей возникает для рабочих станций, многопользовательских серверов и суперсерверов.

Накопитель на жестких магнитных дисках (англ. HDD – Hard Disk Drive ), или винчестерский накопитель, – это запоминающее устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. Это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие.

Носителями информации здесь являются круглые алюминиевые пластины – платтеры , обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала, то есть имеет не 2 поверхности, а 2n, где n – количество платтеров в группе. Упрощенная схема жесткого диска приведена на рисунке 3.20.

Рисунок 3.20 - Упрощенная схема жесткого диска

Как и у дискеты, рабочие поверхности платтеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки – на секторы. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных . При установке модуля данных на дисковод он автоматически соединяется с системой, подкачивающей очищенный охлажденный воздух.

Толщина магнитного покрытия платтера составляет примерно 1,1 мкм, а также содержит слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъеме на ходу. В отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно. Так как скорость вращения достаточно большая, то между магнитной поверхностью и головками чтения/записи образуется воздушная подушка, и они парят над носителем (носителями) на расстоянии 0,00005-0,0001мм. Мнение, что внутри привода вакуум, ошибочно хотя бы потому, что там, где вакуум, конечно же, не может быть никаких воздушных подушек. Когда HDD не работает, головки находятся в специальной посадочной зоне (Landing Zone ), при этом они блокируются во избежание различных повреждений как самих головок, так и носителя. При включении двигателя он раскручивает поверхности, и головки под наплывом воздуха выходят из посадочной зоны.

Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска.

Запись и считывание информации основаны на принципах, которые используются в обычных бытовых магнитофонах. Однако в отличие от магнитофонной записи на магнитной ленте, запись на жестком (и гибком) диске производится отдельными блоками в отдельные сектора. Каждый сектор, кроме данных, содержит различную служебную информацию, необходимую для правильного функционирования контроллера дисковода. В частности, эта служебная информация включает такие данные, как номер дорожки, номер сектора и контрольную сумму данных, записанных в секторе.

Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем (обычно 2 Мбайта), который существенно повышает их производительность.

Характеристики жестких дисков:

1. Емкость. В настоящее время используется технология магнитно-резистивного эффекта, где теоретический предел емкости 1 пластины равен 20 Гб, технологический уровень 6,4 Гб на одну пластину.

2. Скорость работы винчестера описывается тремя параметрами.

а) Скорость передачи данных (скорость чтения/записи)(transfer rate, кратко - transfer) показывает, насколько быстро с диска считываются данные, записанные стро­го последовательно (измеряется в мегабайтах в секунду). Для различных дисков эта величина может весьма отличаться и составляет (на момент написания работы) примерно от 15 Mбайт/с до 60-100 Mбайт/с. Причем приличные диски должны обеспечивать скорость обмена никак не хуже 30 Mбайт/с, лучше 40 Mбайт/с (заметим, что мы говорим о пиковой скорости обмена, которая наблюдается при работе в основном с первыми дорожками диска и чтении/записи цельных массивов данных, а в реальных условиях, когда идет обмен небольшими порциями и со всем диском, значения будут чуть ли не на порядок ниже).

б) Среднее время доступа(average seek time , кратко - seek ) - это усреднен­ное время, за которое будет найден нужный блок данных, если винчестеру указано его физическое расположение, измеряется в миллисекундах. Время доступа может варьировать где-то от 12-10 мс до 5-4 мс. Также обычно в характеристиках диска упоминается время перехода на соседнюю дорожку, которое, как правило, составляет около 1,5-0,5 мс (у хороших дисков не более 1 мс). Все скоростные параметры винчестеров можно померить с помощью соответствующих утилит, полагаться же целиком на собственные ощущения или на показания системного монитора не следует, потому что скорость чтения/записи в приложениях сильно зависит от многих других факторов.

Скорость работы винчестера (transfer и seek) существенно зависит от частоты его вращения, которая измеряется в оборотах в минуту (об/мин). Иногда продавцы приводят очень большие значения скорости обмена (скажем, 66 или 100 Mбайт/с). Это относится к пропускной способности интерфейса и к реальному быстродействию диска имеет примерно такое же отношение, какое, допустим, имеет размер головы к умственным способностям человека. Гораздо в большей степени быстродействие диска определяет скорость вращения плоскостей. Здесь типичные значения 3600, 4500, 5400, 7200, 10000, 15000 оборотов в минуту (rpm). Наиболее предпочтительными являются диски со скоростью вращения не менее 7200 rpm.

3. В последнее время стал важен еще один параметр - плотностьзаписи.Появились винчестеры с так называемой «двойной плотностью». Они отличаются высоким transfer, поскольку при той же скорости вращения диска с него больше считывается за один оборот. Как правило, плотность таких дисков свыше 1 Гбайт на один диск пакета внутри винчестера (то есть в диске емкостью 1,7 Гбайт внутри всего один диск, в диске 3,6 Гбайт два и т.д.).

Разработанная фирмой IBM технология изготовления носителей со специальным покрытием позволит в ближайшее время выпускать недорогие магнитные накопители емкостью до 1 Тбайт. А переход с традиционной продольной магнитной записи к перпендикулярной позволит увеличить плотность записи до 1 Тбайт/дюйм 2 и получить трехдюймовые диски емкостью несколько терабайт.

2. Оптические и магнитооптические накопители. В настоящее время неотъемлемой частью конфигурации компьютера является дисковод (привод) для чтения носителей типа компакт-диск (CD и DVD).

Компакт-диски (CD диски) могут быть для однократной записи CD-R и для многократной записи (перезаписываемый) CD-RW.

В дисках CD-R отражающий слой выполнен из золотой пленки. Между этим слоем и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой 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, т.е. битовые ячейки (питы). Информация составляется чередованием питов и промежутков между ними (то есть двоичными нулями и единицами) (рисунок 3.20).

Рисунок 3.21 – Дорожка CD

В отличие от магнитных дисков, компакт-диски имеют не множество кольцевых дорожек, а одну – спиральную , как у грампластинок, идущую от центра к пеpифеpии. В связи с этим угловая скорость вращения диска не постоянна. Она линейно уменьшается в процессе продвижения читающей лазерной головки к краю диска. На каждом дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Для сравнения – на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек. Ем­кость одного CD достигает 640-800 Мбайт. Для функционирования носителя на него также записывается довольно большой (примерно 8 Mбайт) объем служебной информации, поэтому полезная емкость CD несколько ниже указанной.

Накопители CD-R, благодаря сильному удешевлению приобретают все большее распространение. Информация на CD, в отличие от магнитных носителей, практически не подвержена разрушительным воздействиям электрического и магнитных полей. Однако он требует аккуратного обращения со стороны пользователя. Любые механические повреждения и воздействия рядом химических растворов выводят диск из строя. Сегодня практически только на CD производится легальная поставка программных продуктов и т.д.

Система многократной записи первоначально называлась CD-E (CD-Eraseable ), но затем название было сменено на CD-RW (CD-ReWritable). В CD-RW используется промежуточный слой из органической пленки, изменяющей под воздействием лазерного луча свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое и обратно, в результате чего меняется прозрачность слоя. Фиксация изменений состояния происходит благодаря тому, что материал регистрирующего слоя при нагреве свыше критической температуры переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания, а при нагреве до температуры, значительно ниже критической, восстанавливает кристаллическое состояние. Существующие диски выдерживают от тысяч до десятков тысяч циклов перезаписи. Однако их отражающая способность существенно ниже штампованных и CD однократной записи (можно заметить, что поверхность CD-RW значительно темнее поверхности обычного CD или CD-R).

Перезаписываемый диск может либо иметь такую же структуру дорожек и файловую систему, что и CD-R, либо (чаще) на нем организуется специальная файловая система UDF (Universal Disk Format ), позволяющая динамически создавать и уничтожать отдельные файлы на диске. Например, можно использовать CD-RW как обычный сменный диск и писать на него прямо из приложений.

Наверное, каждый, кто когда-либо имел дело с теми или иными приводами чтения CD/DVD, обратил внимание на одну конструктивную особенность строения этих устройств - круглое углубление диаметром 80 мм внутри большого круга размером 120 миллиметров для обычных CD. Это место для 80-миллиметровых компакт-дисков. То, что это углубление до сих пор не исчезло из трея СD- и DVD-устройств, можно объяснить тем, что диски диаметром 80 мм являются все-таки ISO-стандартом. Емкость таких дисков составляет 180 Mбайт. У этого типа CD тоже есть свои младшие братья. Это семейство так называемых business card CD. Фактически это обычные диски, но обрезанные с двух сторон, так что по виду и размеру они напоминают визитную карточку. В зависимости от степени обрезания емкость таких CD может варьироваться от 20 до 60 Mбайт. Надо заметить, что 80 мм диски потихоньку развивались и дошли до стадии СD-R/RW. Сегодня такие CD-R/RW иногда используются в цифровых фото- и видеока-мерах.

Читается диск с помощью обыкновенного привода. Привод, способный не только читать, но и писать на компакт-диски называется рекордером. Все современные CD-рекордеры могут работать как с CD-R, так и с CD-RW, хотя раньше для использования CD-RW было нужно специальное устройство. Как правило, скорость вращения указывают в трех числах. Первое обычно характеризует запись CD-R, вторая запись CD-RW, а третье означает скорость чтения. Например, 6x/4x/24x означает скорость записи CD-R 6х, CD-RW - 4х, а скорость чтения дисков составляет 24х.

Характеристики приводов: скорость привода. Частота вращения CD-ROM (200-4200 об/мин) связана со скоростью передачи аудио- и видеоданных накопителя в основную память компьютера. В связи с этим введено понятие скорости привода. Скорость работы приводов измеряется относительно скорости вращения обычного музыкального CD-плеера (скорость обмена около 150 кбайт/с). Измеряется в кратных долях. Например, параметр «40х» значит, что дисковод может вращать диск в 40 раз быстрее, чем это делает стандартный CD-плеер. Привод с однократной скоростью обозначается 1х; скорость передачи данных у него составляет 150 кбайт/с. В настоящее время используются приводы со скоростью 32х (4800 кбайт/с; на внешних доpожках скоpость пеpедачи достигает номинальной (напpимеp, 1800 кбайт/с), а по меpе пpиближения к внутpенним падает (в нашем примере приблизительно до 1200-1300 кбайт/с). В результате даже при существенно разной скорости вращения диска современные приводы достаточно высокого качества имеют в общем-то одинаковую скорость передачи данных; время доступа (время, затрачиваемое на поиск нужных данных) 400 мс. Оно у лучших моделей составляет около 80-60 мс, однако у дешевых может быть намного больше - вплоть до нескольких сотен мс. Причем дешевые дисководы обладают еще и такими замечательными особенностями, как плохое качество чтения диска (например, диски с дефектами, которые отлично читаются на других приводах, могут не читаться вовсе или читаться на более низкой скорости), сильный шум, вибрация (иногда даже становится страшно, когда компьютер начинает буквально подпрыгивать на столе) и другими не очень приятными качествами низкосортных изделий. При этом они имеют весьма небольшой срок службы, вполне возможно, что дисковод поломается всего через несколько месяцев использования.

DVD-диски (Digital Video Disk – цифровой видеодиск или Digital Versatile Disk – цифровой многофункциональный диск). В отличие от CD, он обладает большей плотностью размещения данных, возможностью двухслойной записи и более совершенной защитой лицензионных дисков от пиратских копий.

В чем основные отличия стандарта DVD от CD? Во-первых, используется лазер с меньшей длиной волны. Если в накопителях CD–R длина волны равна 780 нанометров, то в накопителях DVD – 635 нанометров. Это позволяет уменьшить длину штриха и повысить скорость считывания данных. Во-вторых, вследствие применения более совершенных материалов, DVD используют для записи данных в два слоя на одной стороне диска или по одному слою, но с двух сторон диска или по два слоя с двух сторон диска, в зависимости от формата DVD. Емкость дисков варьируется от 2,6 Гбайт до 17 Гбайт. В-третьих, используется совершенно новый формат секторов, более надежный код коррекции ошибок и улучшенная модуляция каналов.

Существуют следующие структурные типы DVD:

Single Side/Single Layer (односторонний/однослойный). Это самая простая структура DVD диска. На таком диске можно разместить до 4,7 Гбайт данных. Кстати, эта емкость в 7 раз больше емкости обычного звукового CD и CD-ROM диска;

Single Side/Dual Layer (односторонний/двухслойный). Диски имеют два слоя данных, один из которых полупрозрачный (чтобы обеспечить доступ лазерного луча к внутреннему слою). Оба слоя считываются с одной стороны и на таком диске можно разместить 8,5 Гбайт данных, то есть на 3,5 Гбайта больше, чем на однослойном/одностороннем диске;

Double Side/Single Layer (двусторонний/однослойный). На таком диске помещается 9,4 Гбайт данных (по 4,7 Гбайт на каждой стороне). Нетрудно заметить, что емкость такого диска вдвое больше емкости одностороннего/однослойного DVD-диска. Между тем, из-за того, что данные располагаются с двух сторон, придется переворачивать диск или использовать устройство, которое может прочитать информацию с обеих сторон диска самостоятельно;

Double Side/Double Layer (двусторонний/двухслойный). Самый сложный вариант. Обеспечивает возможность разместить на диске до 17 Гбайт данных (по 8,5 Гбайт на каждой стороне). Понятно, что такой диск, по сути, представляет собой два сложенных вместе односторонних/двухслойных.

Заметим, что все приведенные цифры соответствуют емкости, указанной в миллиардах байтов, а не в обычных компьютерных гигабайтах. В действительности же получится 4,38 Гбайт, 7,95 Гбайт, 8,75 Гбайт и 15,9 Гбайт соответственно.

Вся информация на DVD хранится в файловой системе MicroUDF (Micro Universal Disk Format). Ее официально утвердили в 2000 году. MicroUDB поддерживает носители большой емкости и файлы больших размеров. Имена файлов записываются в формате UNICODE, что обеспечивает совместимость DVD со всеми операционными системами для ПК, а также с разнообразной бытовой техникой.

Что касается непосредственно приводов, то они имеют большую скорость вращения дисков, чем CD-ROM, и однократная скорость вращения DVD-диска соответствует приблизительно трехкратной скорости вращения компакт-диска. Однако, благодаря более плотному размещению данных на DVD, скорость передачи данных на скорости 1х примерно соответствует 9-кратной скорости для CD-ROM, что составляет около 1,3 Мбайт/с. Поэтому для дисководов DVD-ROM указывается две скорости: скорость вращения DVD и скорость вращения CD (что в оборотах в секунду в принципе примерно одно и то же). То, что справедливо для CD-ROM, относится и к устройствам DVD-ROM - больше не всегда означает лучше, и лучше обратить внимание на качество изготовления устройства, а не на цифры в его названии. Время доступа к DVD вследствие более высокой плотности записи на несколько десятков миллисекунд выше, чем у CD , но этот же параметр при обращении с CD примерно такой же (или отличается незначительно), как и на приводах CD-ROM.

Магнитооптическая технология позволила создать дисковые накопители с огромной информационной емкостью (единицы Терабайт). МО-диск может подвергаться многократной перезаписи, отличается повышенной долговечностью хранения данных (до 100 лет) и обеспечивает более высокую скорость работы (в несколько раз). Однако средства этой технологии имеют пока повышенную стоимость.

МО-диск представляет собой поликарбонатную подложку (часто его также называют слоем) толщиной 1,2 мм, на которую нанесено несколько тонкопленочных слоев, в котором заключается магнитная часть технологии, а оптическая представлена считывающим лазером (рисунок 3.22).

Рисунок 3.22 - Магнитооптический диск

В дисках Blu-ray используется технология «голубого», а точнее сине-фиолетового лазера (о отличие от DVD, который базируется на классической технологии красного лазера) с длиной волны 405 нм. Такое уменьшение дало возможность сузить дорожку в 2раза.

На однослойный диск можно записать 25 Гбайт. Двойной слой диска может поддерживать 50 гигабайт.Blu-ray легко усовершенствуется и включает поддержку для дисков мультислоя, который дол-
жен позволить увеличить емкость запоминающего устройства до 100−200 Гбайт.

Из-за того, что на дисках Blu-Ray данные расположены слишком близко к поверхности, первые версии дисков были крайне чувствительны к царапинам и прочим внешним механическим воздействиям, из-за чего они были заключены в пластиковые картриджи. Этот недостаток вызывал большие сомнения относительно того, сможет ли формат Blu-ray противостоять своему основному конкуренту DVD.

Решение этой проблемы появилось в январе 2004 г. с появлением полимерного покрытия, которое дало дискам невероятную защиту от царапин и пыли. Это покрытие, разработанное корпорацией ТDK, получило название «Durabus», оно позволяет очищать их при помощи салфеток, которые могут нанести повреждения CD и DVD.

В Blu-ray применен экспериментальный элемент зашиты под названием BD+, который позволяет динамически изменять схему шифрования. Стоит шифрованию быть сломанным, производители могут обновить схему шифрования и все последующие копии будут защищены уже новой схемой. Таким образом, единичный взлом шифра не позволит скомпрометировать, всю спецификацию на весь период ее жизни.

3. Накопитель на магнитной ленте. Таким носителем является стример (англ. tape streamer ) - устройство для резервного копирования больших объёмов информациив сжатой форме (файлов типов arj, .jpeg, .zip и др.). Накопители могут быть встраиваемые и внешние. Большинство накопителей имеют SCSI-интерфейс. Носителем информации стриме­ра служит магнитная лента (обычно со слоем оксида железа) с типовой шириной 4-5 мм (Tape Drives). Лента наматывается на две катушки и помещается внутрь кассеты (картриджа). Внешне она на­поминает кассету бытового магнито­фона (рисунок 3.23).

В настоящее время существуют различные стандарты QIC (Quarter Inch Cartridge- четвертьдюймовые картриджи), DAT (Digital Audio Tape - цифровая звукозапись), DDS (Digital Data Storage - хранение данных в цифро­вом виде), DLT (Digital Linear Tape - цифровая линейная запись) и LTO (Linear Tape Open - открытый стандарт ленты с линейной записью), оп­ределяющие параметры ленточных на­копителей и кассет для них. Ёмкость ленточных магнитных носителей - от 150 Мбайт и выше. Число дорожек 20-144. Плотность записи 10 000-100 000 бит/дюйм. Скорость передачи данных 2-60 Мбайт/мин. Длина ленты 62,5-360 м.

Рисунок 3.23 - Кассета для стримера

Кассетные накопители QIC имеют относительно низкое быстродействие. Отчас­ти это обусловлено их подключением к интерфейсу накопителей на гибких магнит­ных дисках.

Наибольшие объемы информации позволяют пока хранить накопители стандарта DLT7000 (до 35 Гбайт при интерфейсе SCSI-II Fast/Wide и скорости передачи дан­ных до 10 Мбайт/с).

4. Твердотельная память , или твердотельный диск (Solid State Disk, SSD), представлена полупроводниковой энергонезависимой флэш-памятью. Она не содержит подвижных частей, так как строится часто на однотранзисторных элементах памяти. Ныне популярны флэш-памяти стандартов CompactFlash, SmartMedia и Secure Digital. Емкость памяти в одном конструктиве пока не превышает нескольких гигабайт (рисунок 3.24).

Рисунок 3.24 - Флэш-накопитель

Первоначально память была представлена в конструкции PC Card (стандарта PCMCIA) емкостью 2 до 64 Мбайт. Такая память предназначена для использования в портативных устройствах, например, цифровых фотокамерах, сотовых телефонах, плеерах, карманных компьютерах - органайзерах и карманных игровых устройствах. Подсоединение флэш-накопителя к компьютеру чаще всего осуществляется через порт USB.

Для работы флэш-дисков типа Linear Flash (по стандарту Международной ассоциации по картам памяти для персональных компьютеров) требуется специальное обеспечение: драйверы - Flash File System или программы уровня преобразования - File Translation Layer. В то же время карты памяти типа PC Card АТА Flash (АТА-флэш-карта) не нуждаются в таком обеспечении, так как поддерживаются операционной системой.

Для определения быстродействия и производительности USB-флэш-дисков используются стандартные программы и утилиты.

Обычно, включая компьютер, мы даже не задумываемся о том, какие процессы происходят внутри него во время загрузки. Однако то, что на первый взгляд кажется простой процедурой, на самом деле содержит в себе множество сложнейших вычислений. При включении задействуются все основные составляющие компьютера: материнская плата, процессор, память - внутренняя и внешняя и т. д. Подробнее о каждой из перечисленных составляющих компьютера, а также об эволюции сменных носителей можно будет узнать, просмотрев данный урок.

Она находится в системном блоке. На ней располагается центральный процессор (ЦП), контроллеры (например, управления памяти, управления внешними устройствами). Материнская плата - это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера либо сервера начального уровня.

К ней подсоединяется такие модули компьютера, как центральный процессор, контроллер оперативной памяти (ОЗУ и ПЗУ), контроллеры базовых элементов ввода-вывода (BIOS). Материнская плата непосредственно определяет и координирует работу таких различных по своей сути и функциональности комплектующих, как процессор, оперативная память, платы расширения и различные накопители данных.

Также в материнскую плату встроен генератор тактовой частоты, который синхронизирует работу всех устройств компьютера (Рис. 2).

Рис. 2. Микросхема тактового генератора, установленного в ноутбуке ()

Такт - это промежуток времени между двумя импульсами генератора тактовой частоты. Для выполнения одной элементарной операции необходимы несколько тактов. Тактовая частота первых ПК составляла 4,77 МГц. Современные компьютеры имеют частоту 2,5 ГГц. Важная характеристика материнской платы - это ее производительность. Она определяется тактовой частотой и разрядностью данных, передаваемых одновременно по общей шине. По общей шине передаются управляемые сигналы от процессора к другим устройствам компьютера. Архитектура, производительность материнских плат постоянно совершенствуется. Увеличивается количество портов.

Порт - это многоразрядный вход и выход, через который подключаются другие устройства компьютера. Эти порты выводятся на заднюю, переднюю либо боковую панель системного блока. Наиболее известные порты - это LPT-порт (параллельный), COM-порт (последовательный). Через эти порты подключаются принтеры, мыши, клавиатуры и т. д., но со временем появился USB-порт (Universal Serial Bus), к которому стали подключать все эти устройства.

Рис. 3. Различные порты компьютера ()

Основной составляющей материнской платы является процессор (Рис. 4). Он отвечает за обработку информации и управления всеми модулями компьютера. Без него невозможна работа современного ПК.

Центральный процессор (ЦП; также центральное процессорное устройство - ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно - «центральное обрабатывающее устройство») - электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера.

Производительность процессора характеризуется такими параметрами:

• степень интеграции;
• внутренняя и внешняя разрядность обрабатываемых данных;
• тактовая частота;
• память, к которой может адресоваться ЦП.

Степень интеграции микросхемы показывает, сколько транзисторов (самый простой элемент любой микросхемы) может поместиться на единице площади. Для процессора Pentium Intel эта величина составляет приблизительно 3 млн на 3,5 кв. см, у Pentium Pro - 5,5 млн.

Внутренняя разрядность процессора определяет, какое количество бит он может обрабатывать одновременно при выполнении арифметических операций (в зависимости от поколения процессоров - от 8 до 32 бит).

Внешняя разрядность процессора определяет, сколько бит одновременно он может принимать или передавать во внешние устройства (от 16 до 64 бит в современных процессорах).

Тактовая частота определяет быстродействие процессора. Для процессора различают внутреннюю (собственную) тактовую частоту (с таким быстродействием выполняются внутренние простейшие операции) и внешнюю (определяет скорость передачи данных по внешней шине).

Количество адресов оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), доступное процессору, определяется разрядностью адресной шины.

Рис. 4. Центральный процессор персонального компьютера ()

Для теплоотвода и предотвращения перегрева микропроцессора, применяются пассивные радиаторы либо так называемые кулеры. Кулер - система воздушного охлаждения - совокупности вентилятора и радиатора, устанавливаемых на электронные компоненты компьютера с повышенным тепловыделением (центральный процессор, графический процессор, микросхемы чипсета, блок питания).

Большинство современных процессоров для персональных компьютеров основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, изобретенного Джоном фон Нейманом.

Еще одним важным модулем компьютера является память . Она делится на внутреннюю и внешнюю . К внутренней памяти относится прежде всего постоянная память (или ПЗУ - постоянно запоминающее устройство, ROM - Read-only memory). Примером такой памяти является модуль BIOS. В него внедрена программа тестирования компьютера и первичной загрузки ОС.

Также к внутренней памяти относится оперативная память. Ее называют ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) или RAM (random access memory) (Рис. 5).

Рис. 5. Оперативная память персонального компьютера ()

Оперативная память (англ. Random Access Memory, память с произвольным доступом; комп. жарг. «память», «оперативка») - энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции (Рис. 6). Оперативная память часто рассматривается как временное хранилище, потому что данные и программы в ней сохраняются только при включенном компьютере или до нажатия кнопки сброса (reset). Перед выключением или нажатием кнопки сброса все данные, подвергнутые изменениям во время работы, вновь могут быть загружены в память. От объема оперативной памяти зависит количество задач, которые одновременно может выполнять компьютер.

Рис. 6. Простейшая схема взаимодействия оперативной памяти с центральным процессором ()

Кроме внутренней памяти есть еще и внешняя. Внутренняя память (кроме постоянной) энергозависима. Для того чтобы сохранить результат работы за компьютером, используют внешнюю память. Она не такая быстрая по сравнению с оперативной, но их объемы несопоставимы. По аналогии с указанными выше свойствами внутренней памяти свойства внешней памяти можно описать так:

• внешняя память энергонезависима . Информация в ней сохраняется независимо от того, включен или выключен компьютер, вставлен носитель в компьютер или лежит на столе;
• внешняя память медленнее по сравнению с оперативной; в порядке возрастания скорости чтения/записи информации, устройства внешней памяти располагаются так: магнитные ленты - магнитные диски - оптические диски;
• объем информации, помещающейся во внешней памяти, больше, чем во внутренней; а с учетом возможности смены носителей неограничен.

Носителями внешней памяти являются различные диски: жесткие, гибкие, оптические. Первыми носителями были гибкие диски (дискеты). Это портативный сменный носитель информации, используемый для многократной записи и хранения данных. Представляет собой помещенный в защитный пластиковый корпус диск, покрытый ферромагнитным слоем (Рис. 7).

Рис. 7. Дискета в разобранном виде ()

При внимательном рассмотрении дискеты мы можем заметить дорожки. Перед использованием дискета форматируется. Форматирование дискеты заключается в разметке чистой дискеты на круговые дорожки и сектора. Чтобы начать работать с чистой дискетой, ее нужно сначала отформатировать, разметить. Отформатированная дискета имеет специальные, невидимые для пользователя во время работы разметочные записи. Вся дискета разбивается на круговые дорожки, а дорожки - на сектора. Стандартные трехдюймовые дискеты форматируются на 1,44 Мбайт.

Для считывания информации с дискет используется дисковод. На многих современных компьютерах он уже редко входит в полную комплектацию. Дискеты обычно имеют функцию защиты от записи, посредством которой можно предоставить доступ к данным только в режиме чтения. Дискеты были массово распространены начиная с 1970-х и до конца 1990-х годов (Рис. 8.), уступив место более емким и удобным CD и DVD-накопителям.

Рис. 8. Различные виды гибких дисков, начиная от самых первых моделей и заканчивая современными ()

Еще одним из устройств внешней памяти является жесткий диск . Также его иногда называют винчестер, винт.

Жесткий диск - запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве современных компьютеров (Рис. 9).

Рис. 9. Жесткий диск, вид изнутри ()

Конструкция винчестера представляет собой совокупность металлических дисков, которые покрыты особым веществом, способным сохранять влияние магнитного поля. Современные жесткие диски имеют от 1 до 3 таких дисков. Эти диски надежно сбалансированы и имеют гладкую поверхность из-за большой скорости их вращения. Запись на диск осуществляется специальными магнитными головками, обычно по одной с каждой стороны диска. Они реагируют на изменение магнитного поля через изменение силы тока, который возбуждается в головке. Сигнал считывается и преобразуется в цифровую форму.

Основными характеристиками жестких дисков являются:

• интерфейс (техническое средство взаимодействия 2-х разных устройств);
• емкость (количество данных, которые могут храниться накопителем);
• физический размер (размеры креплений и т. д.);
• время произвольного доступа (среднее время, за которое винчестер выполняет операцию позиционирования головки чтения/записи на произвольный участок магнитного диска);
• скорость вращения шпинделя (количество оборотов шпинделя в минуту);
• надежность (определяется как среднее время наработки на отказ);
• количество операций ввода-вывода в секунду;
• объем буфера (промежуточной памяти, предназначенной для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу).

По причине того, что жесткие диски являются прежде всего стационарными, т. к. очень чувствительны к любым воздействиям извне (удары, падения и т. д.), на смену им пришли внешние жесткие диски, которые подключаются к системному блоку через USB-порт и на которых можно переносить большие объемы информации. Объем таких дисков может быть от нескольких десятков гигабайт до нескольких терабайт. Объемы носителей внешней памяти постоянно растут. Помимо объема, важной характеристикой внешней памяти являются их физические размеры. Такая характеристика называется форм-фактор. Чем меньше физические размеры носителя, тем меньше потребляемая мощность.

На сегодняшний день все более популярными становится такой вид носителей информации как USB -флеш-накопитель , или по-простому «флешка» .

USB-флеш-накопитель - запоминающее устройство, использующее в качестве носителя флеш-память и подключаемое к компьютеру или иному считывающему устройству по интерфейсу USB.

Основное назначение USB-накопителей - хранение, перенос и обмен данными, резервное копирование, загрузка операционных систем (LiveUSB) и др. USB-флешки обычно съемные и перезаписываемые.

Флешка состоит из следующих частей (Рис. 10):

• USB-интерфейс (Стандарт-А) - обеспечивает физическое соединение с компьютером;
• контроллер - небольшой микроконтроллер со встроенными ROM и RAM.
• NAND-чип - хранит информацию;
• осциллятор - генерирует синхронизирующий сигнал (12 МГц) и управляет выводом данных;
• на большинстве флешек используется файловая система FAT12, FAT16, FAT32, или ExFat.

Рис. 10. Устройство USB-флеш-накопителя ()

Обычно устройство имеет вытянутую форму и съемный колпачок, прикрывающий разъем (Рис. 11). Современные флешки могут иметь самые разные размеры и способы защиты разъема. Обычный размер - 3-5 см, вес - меньше 60 г. Объем памяти на флешках постоянно растет. Если не так давно предельными значениями объема памяти для флешки считались 2 Гб, 4 Гб, то сейчас эти значения выросли до 32 Гб, 64 Гб. Безусловно, с развитием технологий растет и объем памяти флеш-накопителей.

Рис. 11. Внешний вид USB-флеш-накопителя ()

Современные компьютеры оснащены дисководами (Рис. 12) для чтения компакт-дисков. Это могут быть CD -диски и DVD -диски.

Рис. 12. Оптический привод современных CD и DVD дисков ()

Оптический привод - устройство, имеющее механическую составляющую, управляемую электронной схемой, и предназначенное для считывания и (в некоторых моделях) записи информации с оптических носителей информации в виде пластикового диска с отверстием в центре (компакт-диск, DVD и т. д.); процесс считывания/записи информации с диска осуществляется при помощи лазера.

Компакт-диск (CD -диск , англ. Compact Disc) - оптический носитель информации в виде пластикового диска с отверстием в центре. Дальнейшим развитием компакт-дисков стали DVD и Blu-ray, прообразом стала граммофонная пластинка.

Первыми появились CD - ROM (Compact Disc Read-Only Memory) (Рис. 13), т. е. устройство только для чтения. В скором времени это перестало соответствовать действительности, т. к. появились пишущие CD-ROM, на них можно было, кроме чтения, осуществлять запись информации. Точно также получилось и при появлении DVD - ROM - вначале были только читаемые DVD-приводы, а затем появились записывающие.

Внешних отличий у этих двух видов носителей информации не так много. Однако, помимо всего того, что умеет делать CD-ROM, DVD-ROM способен читать DVD-диски различных форматов. Принципы записи DVD- и CD-R-форматов во многом схожи. Самое основное отличие - это, естественно, размер записываемой информации. Если на обычный CD-диск можно записать до 800 Мб, то на один DVD-диск можно записать от 4,7 Гб.

В DVD употребляется лазер с наименьшей длиной волны, что позволило значительно прирастить плотность записи. Кроме этого, DVD предполагает возможность двухслойной записи информации, другими словами, на поверхности компакта находится один слой, поверх которого наносится очередной, полупрозрачный, и 1-й считывается через 2-й параллельно.

Список литературы

1. Босова Л.Л. Информатика и ИКТ: Учебник для 8 класса. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.

2. Босова Л.Л. Информатика: Рабочая тетрадь для 8 класса. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.

3. В.И. Левин, Носители информации в цифровом веке. - КомпьютерПресс, 2000., 256 стр.

4. Танненбаум Э. Архитектура компьютера. - 5-е изд. - СПб.: Питер, 2007. - 844 с.

2. Интернет-сайт «КомпьютерПресс» ()

3. Интернет-сайт informatika.sch880.ru ()

Домашнее задание

1. Глава 2, §2.1, 2.2. Босова Л.Л. Информатика и ИКТ: Учебник для 8 класса. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.

2. Какая составляющая является центральной частью ПК? Опишите ее основные функции.

3. Как называются входы и выходы, при помощи которых различные устройства подключаются к компьютеру?

4. Какие функции выполняет центральный процессор ПК?

5. Для чего компьютеру нужны два вида памяти: внешняя и внутренняя?

6. Назовите устройства внешней памяти компьютера.

7. Какие существуют типы оптических дисков?