Устройства долговременного хранения данных на персональном компьютере

Персональный компьютер предназначен для автоматизации процесса обработки информации. При этом данные в ЭВМ заносятся с помощью устройств ввода и подлежат дальнейшей обработке. Однако довольно часто возникает необходимость хранения и переноса больших объемов информации. Постоянное хранение таких информационных массивов в памяти компьютера представляется нерациональным. При учете таких факторов широкое применение находят устройства долговременного хранения данных, которые еще называют внешней памятью.

Внешняя (долговременная) память (ВЗУ - внешнее запоминающее устройство) предназначена для длительного хранения программ и данных, не используемых в данный момент в оперативной памяти ПК, и является энергонезависимой, т.е. целостность ее содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение ПК. 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 (рис. 1):

Рис. 1. Схема передачи информации от ВЗУ к процессору

Носители внешней памяти, кроме того, обеспечивают транспортировку данных в тех случаях, когда компьютеры не объединены в сети (локальные или глобальные).

Классификация устройств внешней памяти ПК

Устройства внешней памяти или, иначе, внешние запоминающие устройства весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков: по виду носителя, типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, методу доступа и т.д.

Один из возможных вариантов классификации ВЗУ представлен ниже на рис. 2.

Рис. 2. Классификация ВЗУ

Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя (устройства, обеспечивающего запись и (или) считывание информации) и устройства хранения -- носителя.

В зависимости от типа носителя все ВЗУ можно подразделить на накопители на магнитной ленте и дисковые накопители.

Накопители на магнитной ленте, в свою очередь, бывают двух видов: накопители на бобинной магнитной ленте (НБМЛ) и накопители на кассетной магнитной ленте (НКМЛ -- стримеры). В ПК используются только стримеры.

Накопители на дисках - устройства для записи / чтения с магнитных (оптических) носителей. Назначение этих накопителей: хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Понятие прямой доступ означает, что ПК может "обратиться" к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где бы ни находилась головка записи/чтения накопителя.

Таким образом, к основным устройствам длительного хранения данных можно отнести:

накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

накопители на оптических дисках (CD, CD-RW);

накопители на записывающих магнитооптических дисках;

накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.

Основные характеристики устройств длительного хранения данных

Накопители на гибких магнитных дисках

Гибкий диск (англ. floppy disk), или дискета, -- носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой, для хранения архивной информации, не используемой в работе, для хранения запасных копий программ и данных [8, С.28].

Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помешенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/ записи накопителя получают доступ к диску. Способ записи двоичной информации на магнитной среде называется магнитным кодированием. Он заключается в том, что магнитные домены в среде выстраиваются вдоль дорожек в направлении приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обычно устанавливается однозначное соответствие между двоичной информацией и ориентацией магнитных доменов.

Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Емкость сектора постоянна и составляет 512 байт.

Используемые в ПК ГМД имеют форм-фактор (диаметр) 5,25" (133 мм) и 3,5" (89 мм). ГМД диаметром 5,25 дюйма помещается в плотный гибкий конверт, а диаметром 3,5 дюйма -- в пластмассовую кассету для защиты от пыли и механических повреждений.

Основные характеристики типов НГМД приведены в табл. 1.

Основные характеристики НГМД Таблица 1

Таблица

Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (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. Для обращения к ГМД ПК использует специальные имена. Как правило, дисководу для считывания информации с 3-дюймового диска присваивается имя в виде латинской буквы с двоеточием А:, а для 5-дюймового или второго 3-дюймового В: Двоеточие позволяет отличить букву от имени дисковода.

Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

Каждую новую дискету в начале работы с ней следует отформатировать. Форматирование дискеты -- это создание структуры записи информации на ее поверхности: разметка дорожек, секторов, записи маркеров и другой служебной информации.

Накопители на жестких магнитных дисках

Если гибкие диски - это средство переноса данных между компьютерами, то жесткий диск - информационный склад компьютера. Он используется для постоянного хранения той информации, которая более или менее часто используется в работе: программ ОС, компиляторов с языков программирования, сервисных (обслуживающих) программ, прикладных программ пользователя, текстовых документов, файлов базы данных и т.д.

Накопитель на жестких магнитных дисках (англ. HDD - Hard Disk Drive), или винчестерский накопитель, - это обязательный компонент ПК, наиболее массовое запоминающее устройство большой емкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины - платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала.

Как и у дискеты, рабочие поверхности платтеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки - на секторы (рис. 3).

Рис. 3. Логическая структура поверхности магнитного диска

Общую емкость диска можно вычислить, умножая размер сектора (512 байт) на количество секторов на дорожке, количество дорожек на носителе и количество поверхностей, содержащих пользовательские данные.

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.

Поверхность платтера имеет магнитное покрытие толщиной 1,1 мкм, а также слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъеме на ходу. При вращении платтера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 0,5 мкм над поверхностью диска.

Практически все современные жесткие диски выпускаются по технологии, использующей магниторезистивный эффект. Благодаря этому емкость дисков растет быстрыми темпами за счет повышения плотности записи информации. Жесткие диски значительно превосходят гибкие по скорости доступа, емкости и надежности. Винчестерские накопители имеют очень большую емкость-- от 40 до 100 Гбайт и более. У современных моделей скорость вращения шпинделя обычно составляет 7200 об/мин, среднее время поиска данных 9 мс, средняя скорость передачи данных до 60 Мбайт/с [7, C. 74]. В отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно. Винчестерский накопитель связан с микропроцессором через контроллер жесткого диска. Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем - быстрой буферной памятью небольшого объема, в которую компьютер помещает наиболее часто используемые данные (обычно 8 Мбайт), который существенно повышает их производительность.

Для обращения к жесткому диску используется имя С:. В случае установки второго ЖД ему присваивается имя D:. Для получения структуры, включающей в себя дорожки и сектора, нужно выполнить физическое, или низкоуровневое, форматирование. Для повышения эффективности работы жесткий диск желательно разбить на несколько логических разделов (C:, D:, E:, F: и т.д.) и затем создать системную область диска, для чего применяется логическое, или высокоуровневое, форматирование.

Накопители на оптических дисках

За последние годы все большее распространение получают накопители на оптических дисках (НОД). Благодаря маленьким размерам (используются компакт-диски диаметром 3,5" и 5,25"), большой емкости и надежности эти накопители становятся все более популярными.

Неперезаписываемые лазерно-оптические диски обычно называют компакт-дисками ПЗУ - СD-RОМ (Compact Disk Read-Only Memory - компакт-диск, из которого можно только читать). СD-RОМ 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 (углублений в диске) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска. Емкость СD достигает 780 Мбайт [6, C. 84-85].

Эти диски поставляются фирмой-изготовителем с уже записанной на них информацией (в частности, с программным обеспечением). Запись информации на них возможна только вне ПК, в лабораторных условиях, лазерным лучом большой мощности, который оставляет на активном слое CD след -- дорожку с микроскопическими впадинами. Таким образом создается первичный "мастер-диск". Процесс массового тиражирования СD-ROM по "мастер-диску" выполняется путем литья под давлением. В оптическом дисководе ПК эта дорожка читается лазерным лучом существенно меньшей мощности.

Для работы с СD-RОМ нужно подключить к компьютеру накопитель СD-RОМ, преобразующий последовательность углублений и выступов на поверхности СD-RОМ в последовательность двоичных сигналов. Для этого используется считывающая головка с микролазером и светодиодом. Ток через светодиод образует последовательность двоичных электрических сигналов, соответствующих сочетанию впадин и выступов на дорожке.

СD-RОМ обладают высокой удельной информационной емкостью, что позволяет создавать на их основе справочные системы и учебные комплексы с большой иллюстративной базой. Один СD по информационной емкости равен почти 500 дискетам. Считывание информации с СD-RОМ происходит с достаточно высокой скоростью, хотя и заметно меньшей, чем скорость работы накопителей на жестком диске. На сегодняшний день наиболее распространенными являются 52х-скоростные накопители (скорость считывания 7500 Кб/с).

СD-RОМ просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, с них невозможно случайно стереть информацию.

Существуют также записывающие накопители СD-R (Сompact Disk Recordable), способные, наряду с прочтением обычных компакт-дисков, записывать информацию на специальные оптические диски емкостью 680, 700 либо 750 Мбайт. В дисках СD-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. Чтение записи выполняется лазерным лучом так же, как у CD-ROM. Накопители СD-R, благодаря сильному удешевлению, приобретают все большее распространение.

Более популярными становятся накопители CD-RW (Compact Disk-ReWritable), которые позволяют записывать и перезаписывать диски CD-RW, записывать диски CD-R, читать диски CD-ROM, т.е. являются в определённом смысле универсальными. По внешнему виду как сами дисководы, так и диски для CD-RW практически не отличаются от CD-ROM. В целях сохранения информации CD необходимо предохранять от механических повреждений (царапин, сколов), а также от загрязнения. Накопители управляются контроллерами, размещенными на системной плате либо на мультикарте.

На смену технологии СD-RОМ стремительно идет технология DVD (Digital Versatile Disk - универсальный цифровой диск). Имея те же габариты, что обычный компакт-диск, и весьма похожий принцип работы, он вмещает чрезвычайно много информации -- от 4,7 до 17 Гбайт. Сегодня DVD-диск применяется в основном для хранения видеофильмов (DVD-Video или просто DVD) и сверхбольших баз данных (DVD-ROM, DVD-R). В отличие от CD-ROM, диски DVD записываются с обеих сторон. Более того, с каждой стороны могут быть нанесены один или два слоя информации. Таким образом, односторонние однослойные диски имеют объем 4,7 Гбайт (их часто называют DVD-5, т.е. диски емкостью около 5 Гбайт), двусторонние однослойные -- 9,4 Гбайт (DVD-10), односторонние двухслойные -- 8,5 Гбайт (DVD-9), а двусторонние двухслойные -- 17 Гбайт (DVD-18). Для проигрывания этих дисков необходим DVD-ROM.

Накопители на записывающих магнитооптических дисках

Накопители на магнитооптических компакт-дисках СD-MO (Compact Disk-Magneto Optical) сочетают свойства магнитных и оптических дисков. Диски СD-MO можно многократно использовать для записи, но они не читаются на традиционных дисководах CD-ROM. Ёмкость от 650 Мбайт до 2,6 Гбайт. Применяются накопители на магнитных дисках большой емкости - Iomega Zip Drive, Iomega Jaz. Их размеры - 3,5", емкость - от 100 Мбайт до 2,2 Гбайт. Накопитель Zip обеспечивает время доступа, равное 29 мс, и скорость передачи данных до 1 Мбайт/с. У накопителя Jaz основным недостатком является высокая стоимость картриджа, основное его применение - резервное копирование информации.

Накопители на магнитной ленте

Стримеры (накопители на магнитных лентах) используются для хранения больших объемов данных.

Стример (англ. tape streamer) -- устройство для резервного копирования больших объемов информации, создания архивов данных. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой. Емкость - 1--2 Гбайт и более, скорость передачи данных - от 2 до 9 Мбайт в минуту, длина ленты - от 63,5 до 230 м, количество дорожек - от 20 до 144 [10, С. 70]. Стримеры позволяют записать на небольшую кассету огромное количество информации. Информация на магнитную ленту записывается параллельно по дорожкам. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед ее записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объем сохраняемой информации. Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации

Другие устройства

В качестве другого устройства долговременного хранения данных можно упомянуть флэш-память (flash memory). Физически она представляет собой устройство, выполненное на одной микросхеме (кристалле), не имеющее подвижных частей. Действие основано на кристаллах электрически перепрограммируемой флэш-памяти. Физический принцип организации ячеек флэш-памяти можно считать одинаковым для всех выпускаемых устройств вне зависимости от их наименования. Различаются такие устройства по интерфейсу и применяемому контроллеру, что обусловливает разницу в емкости, скорости передачи данных и энергопотреблении. Наибольшее распространение в последнее время получили flash накопители с USB интерфейсом. Объем флэш-памяти составляет от 64 Мбайт и более.

Общая характеристика задачи

Рассмотрим следующую задачу

В организации ведется журнал расчета подоходного налога с зарплат сотрудников с точки зрения подразделений. Виды подразделений представлены на рис. 1. При этом Работает следующее правило:

Все расчеты предоставляются согласно таблице (рис. 2) только работникам «основного» места работы, остальные работни платят налог с общей суммы.

Таблица. Список подразделений организации

Необходимо сделать следующее:

1. Построить таблицы по приведенным ниже данным (рис. 1-3).

2. Организовать межтабличные связи для автоматического заполнения графы документа «Журнал расчета налога на доходы с физических лиц (НДФЛ)» «Наименование подразделения», «НДФЛ» ( рис. 3).

3. Настроить проверку в поле «Вид места на работы» на вводимые значения с выводом сообщения об ошибке.

4. Определить помесячную сумму уплаченного сотрудником налога (за несколько месяцев).

5. Определить общую сумму НДФЛ по каждому подразделению.

6. Определить общую перечисляемую организацией сумму НДФЛ за месяц.

Таблица