Характеристика внешних накопителей информации, применяемых в электронно-вычислительных системах

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Во всех вычислительных системах для накопления и долговременного хранения информации используются внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или накопители. Устройства внешней памяти (накопители) являются энергонезависимыми, выключение питания не приводит к потере данных. Внешняя (долговременная) память - это место хранения данных, не используемых в данный момент в памяти компьютера. Она может быть встроена в системный блок или выполнена в виде самостоятельных блоков, связанных с системным через ее порты. Важной характеристикой внешней памяти служит ее объем. Объем внешней памяти можно увеличивать, добавляя новые накопители. Не менее важными характеристиками внешней памяти являются время доступа к информации и скорость обмена информацией. Эти параметры зависят от устройства считывания информации и организации типа доступа к ней. По типу доступа к информации устройства внешней памяти делятся на два класса: устройства прямого (произвольного) доступа и устройства последовательного доступа. При прямом (произвольном) доступе время доступа к информации не зависит от ее места расположения на носителе. При последовательном доступе время доступа зависит от местоположения информации. Скорость обмена информацией зависит от скорости ее считывания или записи на носитель.

1. Магнитные носители

Магнитная лента - носитель магнитной записи, представляющий собой тонкую гибкую ленту, состоящую из основы и магнитного рабочего слоя. Рабочие свойства: магнитная лента характеризуются её чувствительностью при записи и искажениями сигнала в процессе записи и воспроизведения. Наиболее широко применяется многослойная магнитная лента с рабочим слоем из игольчатых частиц магнитно-твёрдых порошков гамма-окиси железа (g-Fe2O3), двуокиси хрома (CrO2) и гамма-окиси железа, модифицированной кобальтом, ориентированных обычно в направлении намагничивания при записи. Данные на ленте записываются в виде множества параллельных дорожек. Движение ленты при записи/чтении идет в обоих направлениях. Считывающая/записывающая головка во время движения ленты неподвижна. По достижении конца ленты головка сдвигается на другую дорожку, а лента движется в противоположном направлении. Для увеличения скорости записи/чтения устанавливается несколько головок, которые работают с несколькими дорожками одновременно. Задачи архивирования и резервного копирования данных вполне допускают небольшое (до нескольких минут) время доступа к информации. Современные ленточные накопители способны обеспечить объем хранения до 35 Гбайт на одной кассете. Накопители на магнитной ленте являются устройствами последовательного доступа, так как для обращения к определенному его участку необходимо пройти последовательно все предыдущие участки.

Одними из самых популярных накопителями являются стримеры. Стримеры - это накопители на магнитных лентах, которые в настоящее время используются, в основном, как средство резервного копирования данных, по принципу действия аналогичен бытовому магнитофону. Его основное назначение: запись и воспроизведение информации, создание резервных копий данных.

В ЭВМ, выпускавшихся до момента появления и широкого распространения жестких дисков, устройства, аналогичные стримерам, использовались как основной долговременный носитель информации. В дальнейшем, стримеры стали использоваться в системах иерархического управления носителями для хранения редко используемых данных. Некоторое время достаточно широко применялся в качестве съёмного ЗУ при переносе большого количества информации.

Накопители на магнитных дисках, как правило, являются устройствами внешней памяти произвольного (прямого) доступа обращение к любому участку носителя не зависит от его положения относительно других участков. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагом, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси. Головка считывает или записывает информацию, расположенную на концентрической окружности, которая называется дорожкой или треком. Количество дорожек на диске определяется шагом перемещения головки и зависит от технических характеристик привода диска и качества самого диска. За один оборот диска может быть считана информация с одной дорожки. Общее время доступа к информации на диске складывается из времени перемещения головки на нужную дорожку и времени одного оборота диска. Каждая дорожка дополнительно разбивается на ряд участков секторов. Сектор содержит минимальный блок информации, который может быть записан или считан с диска. Чтение и запись на диск осуществляется блоками. Физическая структура диска определяется количество дорожек и числом секторов на каждой дорожке. Она задается при форматировании диска, которое выполняется специальными программами и должно быть проведено перед первым использованием диска для записи информации.

Накопители на гибких дисках (Floppy Disk Drive), являются старейшими периферийными устройствами PC. В качестве носителя информации в них применяются дискеты диаметрами 3,5” 5,25”и 8” (на сегодняшний день дискеты 5,25” практически не используются 8” не используются). Конструкция дискет одинакова для всех форматов. В футляре находится пластмассовый диск с нанесенным на него магнитным слоем для записи информации. Объем записываемой информации зависит от плотности записи. Существуют стандарты SS/SD, DS/DD, DS/HD для 5/25” объем записываемой информации от 180 Кб до 1.2 Мб. DD, HD и ED для 3,5” дискет, объем записываемой информации от 720 Кб до 2,88 Мб. Самые распространенные - дискеты 3,5” HD. Как носители информации дискеты почти изжили себя, малый объем, небольшая скорость чтения/записи, ненадежность делают их применение невыгодным.

2. Оптические носители

CD-ROM разновидность компакт-дисков с данными, доступными только для чтения. Основной характеристикой является скорость передачи данных. Термин “скорость записи” определяет, насколько быстро данные могут быть записаны на CD-R диск. Маркировка 2х, 4x, 6x, 8x, 12x, 16x, 24x, ... 48x показывает, во сколько раз быстрее устройство записывает данные по сравнению с односкоростным эталоном. Под одной скоростью понимается скорость передачи данных равная 150 Кб/сек. За единицу считывания, принята скорость считывания с магнитной ленты.

Качество считывания характеризуется коэффициентом ошибок и представляет собой оценку вероятности искажения информационного бита при его считывании. Данный параметр отражает способность устройства корректировать ошибки чтения/записи. Среднее время доступа, время которое требуется приводу для нахождения на носителе нужных данных. Варьируется от 400 до 800 мс. Объем буферной памяти позволяет передавать данные с постоянной скоростью.

Накопитель CD-R, для изготовления которого использовали обычный диск, покрытый специальным красителем, поверх которого напылялся тончайший отражающий слой благородного металла (серебра или золота). При записи лазерный луч, сфокусированный на слое красителя, физически «выжигает» его, образуя непрозрачный участок, аналогичный «ямке» на обычном штампованном CD. Однако при многосеансовой записи появляются неиспользованные участки (начальные и конечные «пустые» участки). Наличие неиспользуемых участков приводит к потере при записи каждого следующего сеанса 13,5 Мбайт пространства на CD-R.

После достижения скоростей по записи/считыванию 8X/24X CD-R были вытеснены более универсальными накопителями CD-RW.

CD-RW позволяет записывать диски не только с однократной записью, но и перезаписываемые. Здесь используются три режима работы лазера, отличающиеся мощностью луча: режим записи (максимальная мощность, обеспечивающая переход активного слоя поликристаллического сплава в неотражающее аморфное состояние), режим стирания (возвращает активный слой в отражающее кристаллическое состояние) и режим чтения (самая низкая мощность, не влияющая на состояние активного слоя).

Изготовителей устройств записи на оптические диски всегда преследует проблема опустошение буфера. Так как запись происходит с постоянной скоростью, то в буфере дисковода все время должны присутствовать данные для записи. Если данные отсутствуют, то при CD-R «болванка» безвозвратно теряется, а при CD-RW необходимо стирать и заново записывать информацию. Далее была разработана технология BURN-Proof (Buffer UndeRuN-Proof, т.е. защита от опустошения буфера), процесс записи приостанавливается, если в буфере объем данных меньше, чем некоторый порог. Сейчас эта технология используется всеми изготовителями накопителей CD-RW.

Выпущен накопитель, в котором осуществляется пакетная запись на CD-RW (путем переноса файлов). Достигнуты скорости записи/перезаписи/чтения значений 40Х/12Х/48Х, используется буфер с емкостью 8 Мбайт, и получено время доступа к данным 72 мс. Недостаточность (до 700Мбайт) емкости и невозможность дальнейшего повышения производительности CD-ROM требовали задуматься о новом формате оптических дисков.

DVD (Digital Video Disk) диски, которые первоначально разрабатывались для домашнего видео. Отличаются тем, что могут хранить объем данных многократно превышающий возможности компакт дисков (от 4,7 до 17 Гб.). Уровень качества звука и изображения хранимого на DVD приближен к студийному качеству. В накопителях DVD используется более узкий луч лазера, чем в CD-ROM, поэтому толщина защитного слоя диска была снижена в 2 раза, что привело к появлению двухслойных дисков.

В отличие от CD-ROM (односторонние и однослойные) DVD-диски бывают: односторонний однослойный (емкость 4.7 Гбайт) DVD-5; односторонний двухслойный (8,5 Гбайт) DVD-9; двусторонний однослойный (9,4 Гбайт) DVD-10; двусторонний двуслойный (17 Гбайт) DVD-18.

DVD Forum (в нее входят 11 изготовителей накопителей и носителей к ним) подготовило 5 документов, описывающих форматы DVD-ROM, DVD-Video, DVD-Audio, DVD-R (однократно записываемый DVD), DVD-RAM (DVD с возможностью многократной записи), совсем новые два формата многократно записываемых дисков DVD-RW и DVD+RW и один однократно записываемый DVD+R.

Увеличение емкости диска одного и того же размера в 7-25 раз получается за счет применения лазера красного диапазона с длиной волны 635 или 650 нм (вместо ИК-лазера с длиной волны 780 нм). В результате удалось сократить размер «ямок» с 0,83 до 0,4 мкм, а шаг дорожек с1.6 до 0,74 мкм. Это дало общий выигрыш в емкости в 4,5 раза. Были применены более эффективные коды коррекции ошибок. Следовательно, автоматически увеличились скорости передачи данных при той же скорости вращения носителя. DVD-ROM IX имеет значение 1250 Кбайт/с, что соответствует 8Х CD-ROM.

Всего существует 6 форматов записываемых DVD (в хронологическом порядке их появления): DVD-R for General, DVD-R for Authoring, DVD-RAM, DVD-RW, DVD+RW и DVD+R.

DVD-R For Authoring; DVD-R For General. Отличаются они длиной прожиг-лазера и присутствием защиты от нелегального копирования. Формат DVD-R For Authoring более профессиональный вариант. Часто используется для изготовления мастер-дисков.. DVD-R for General предназначен для широкого применения, записанные в этом стандарте диски нельзя использовать в качестве мастер-дисков.

Как известно, на рынке записываемых DVD присутствуют три конкурирующих формата: DVD-R/W и DVD+R/W и DVD-RAM. Последний сочетает в себе полную несовместимость с чем-либо и высокую надежность хранения данных, что делает его хорошим нишевым решением для резервного копирования и в то же время закрывает дорогу на массовый рынок. DVDRW (DVD Rewritable, перезаписываемый) это формат перезаписываемого диска. Максимум могут вмещать до 4.7 Гб информации, поодерживают двустороннюю запись/перезапись.

Магнитооптические накопители (Magneto-Optical) представляют собой накопитель информации, в основу которого положен магнитный носитель с оптическим управлением. Поверхность магнитооптического диска покрыта сплавом, свойства которого меняются как под воздействием тепла, так и под воздействием магнитного поля. Для изменения направления намагниченности соответствующий участок диска должен быть нагрет лазером до точки Кюри (около 200єС). На этом свойстве основаны технологии чтения записи магнитооптических дисков. МО диски могут быть односторонними 3,5” емкости 128, 230, и 640 Мб. Двухсторонними 5,25” емкостью 600 Мб, 2,6 Гб.

Для выборочного изменения полярности специального сплава, покрывающего поверхность оптического диска, используется взаимодействие лазера высокой мощности и магнитных импульсов. Чтобы записать данные, лазер при первом проходе нагревает участок сплава до точки плавления и дает ему остыть, по существу стирая записанные ранее данные и заменяя их цифровыми нулями. При втором проходе лазер нагревает носитель там, где должна записываться единица. Одновременно специальная головка записи воздействует на расплавленную зону магнитным импульсом и изменяет молекулярную ориентацию (полярность) зоны сплава после остывания. В остальное время диск практически нечувствителен к магнитному полю, поэтому на сегодняшний день это один из самых надежных способов хранения и переноса данных. Считывание данных с носителя происходит также при помощи луча лазера, но уже меньшей мощности.

При обычных же температурах магнитооптические носители не подвержены влиянию внешних магнитных полей и обладают очень высокими показателями по длительности хранения 30 лет и более.

Несмотря на большую емкость магнитооптических дисков (на сегодняшний день существуют 5,25-дюймовые диски емкостью 4,6 ГБ), они не могут заменить жесткие диски. Прежде всего, это связано с низким быстродействием магнитооптических дисководов, а ведь этот параметр является одним из основных показателей для жестких дисков. Быстродействие магнитооптических дисководов существенно снижается при записи диска; не спасает положение и технология кэширования записи. Как известно, запись на магнитооптический диск осуществляется за два прохода: при первом проходе данные стираются с диска, при втором - записываются. А если к тому же установить проверку данных при записи, то быстродействие снизится еще на 20-30%.

Магнитооптический дисковод внешне очень похож на обычный, но снабжен электронной системой выброса носителя. В принципе, работа с ним мало, чем отличается от работы с обычным дисководом, а для пользователя он ничем не отличается от обычного винчестера.

Магнитооптический диск имеет целый ряд преимуществ: он более надежен в работе по сравнению с обычными дискетами, магнитооптическая головка не касается диска при записи и чтении и таким образом исключены взаимные повреждения. К тому же сам диск менее чувствителен к механическим повреждениям или магнитным полям, случайные небольшие царапины не могут испортить диск или данные на нем, тем более что сам диск находится в защитном пластиковом корпусе. Магнитооптический диск способен сохранять информацию более длительное время, чем обычные флоппи-диски. Это сравнение обусловлено тем, что до возникновения магнитооптических носителей единственным устройством способным хранить информацию долгое время был флоппи-диск. Фирмы-производители гарантируют безотказную работу диска в течение нескольких десятков лет.

Стандартизация - это показатель, дающий перезаписываемой оптической памяти большие преимущества перед накопителями типа Winchester, многие производители которых работают по своим собственным стандартам. Магнитооптические накопители, как правило, соответствуют стандартам ISO, ANSI и пр. Эти стандарты гарантируют, что в подавляющем большинстве случаев МО устройство может читать диск, записанный на накопителе другой марки. Благодаря этой особенности, МО накопители пользуются популярностью среди различных сервисных служб и других организаций, которым необходим доступ к данным, имеющимся в распоряжении многочисленных клиентов, которые работают на разных системах.

К недостаткам дисковой памяти можно отнести наличие механических движущихся компонентов, имеющих малую надежность, и большую потребляемую мощность при записи и считывании. Появление большого числа цифровых устройств, таких как МР3-плееры, цифровые фото- и видеокамеры, карманные компьютеры. Потребовало разработки миниатюрных устройств внешней памяти, которые обладали бы малой энергоемкостью, небольшими размерами, значительной емкостью и обеспечивали бы совместимость с персональными компьютерами. Первые промышленные образцы такой памяти появились в 1994 г.

Новый тип памяти получил название флэш-память. Флеш-память (англ. Flash-Memory) разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. Флэш-память представляет собой микросхему перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) с большим числом циклов перезаписи. В ППЗУ флэш-памяти использован новый принцип записи и считывания, отличный от того, который используется в известных схемах ППЗУ. Кристалл схемы флэш-памяти состоит из трех слоев. Средний слой, имеющий толщину порядка 1,5 нм, изготовлен из ферроэлектрического материала. Две крайние пластины представляют собой матрицу проводников для подачи напряжения на средний слой. Флеш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором, называемых ячейками. В традиционных устройствах с одноуровневыми ячейками каждая из них может хранить только один бит. Некоторые новые устройства с многоуровневыми ячейками могут хранить больше одного бита, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе транзистора. Флеш-память была изобретена инженером компании Toshiba Фудзио Масуокой в 1984 году. Название «флеш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзио, Сёдзи Ариидзуми, потому что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash).

Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельного блока, содержащего микросхему флэш-памяти и контроллер, для подключения к одному из стандартных входов компьютера.

Флеш-память может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (максимально около миллиона циклов). Распространена флеш-память, выдерживающая около 100 тысяч циклов перезаписи намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW. Не содержит подвижных частей, так что, в отличие от жёстких дисков, более надёжна и компактна.

Благодаря своей компактности, дешевизне и низкому энергопотреблению флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах фото- и видеокамерах, диктофонах, MP3-плеерах, КПК, мобильных телефонах, а также смартфонах и коммуникаторах. Кроме того, она используется для хранения встроенного программного обеспечения в различных устройствах (маршрутизаторах, мини-АТС, принтерах, сканерах, модемax), различных контроллерах. Также в последнее время широкое распространение получили USB флеш-накопители, практически вытеснившие дискеты и CD. Основным недостатком, не позволяющим устройствам на базе флеш-памяти вытеснить с рынка жёсткие диски, является высокое соотношение цена/объём, превышающее этот параметр у жестких дисков в 23 раза. В связи с этим и объёмы флеш-накопителей не так велики. Ещё один недостаток устройств на базе флеш-памяти по сравнению с жёсткими дисками как ни странно, меньшая скорость.

В настоящее время объем флэш-памяти достигает нескольких десятков Гбайт, скорость записи и считывания составляют десятки Мбайт/с.

Накопитель на жёстких магнитных дисках -- энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах. Для хранения и переноса информации применяются внешние жесткие диски подключаемые через USB порт.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В некоторых НЖМД используется одна пластина, в других -- несколько на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках 5-10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Жёсткий диск состоит из следующих основных узлов: корпус из прочного сплава, собственно жесткие диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя и блок электроники.

Объем у современных жестких дисков составляет от 250 до 4000 Гб.

стример дисковый энергонезависимый перезаписываемый

Список литературы

1. Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2003. - М.: ОЛМА-ПРЕСС, 2003.

2. Соболь Б. В.Информатика: учебник/ Б.В. Соболь. - Ростов н/д: Феникс, 2007. - 446с.

3. Данчула А.Н. Информатика: учебник/ А.Н. Данчула. - М.: Изд-во РАГС, 2004. - 528с.

4. Таненбаум Э. Архитектура компьютера / Э. Таненбаум. - СПб.: 2007. - 844с.

5. Хамахер К. Организация ЭВМ/ К. Хамахер, З. Вранешич, С. Заки. - СПб.: 2003.

Размещено на Allbest.ru