Внешние запоминающие устройства

Внешние запоминающие устройства ПК, предназначенные для долго­временного хранения программ и данных, выполняются в виде накопи­телей; в качестве носителей информации в них используются магнитные диски и ленты, оптические (лазерные) диски и др. Эти носители могут быть как сменными (извлекаемыми), так и стационарными.

По способу доступа к информации ВЗУ подразделяют на устройства прямого (произвольного) и последовательного доступа.

Дисковые накопители (disk drive) являются устройствами прямого доступа, поскольку считывающая головка может непосредственно об­ращаться к любому месту на диске. Напротив, накопители на магнитных лентах (НМЛ, tape drive) являются устройствами последовательного до­ступа; чтобы считать нужную информацию, требуется предварительная перемотка ленты до соответствующего места.

Основными характеристиками ВЗУ являются информационная ем­кость (Мбайт, Гбайт и т.д.) и время доступа (в секундах или долях се­кунды). Именно малое время доступа сделало накопители на магнитных дисках основным устройством внешней памяти ПК.

Вплоть до настоящего времени наиболее удобным носителем ин­формации ограниченного объема (до 1,4 Мбайт) остается 3,5-дюймовая дискета (floppy disk, гибкий диск). Это круглый диск из полиэфирной подложки с нанесенным на него магнитным покрытием, помещенный в плотный конверт, на внутреннюю поверхность которого наносится очищающее покрытие. В конверте имеется радиальная прорезь, через которую головки считывания/записи получают доступ к информации. Данные записываются на магнитном слое диска с обеих сторон по кон­центрическим дорожкам, которые радиальным разбиением делятся на сектора. Емкость каждого сектора фиксирована и составляет 512 байт. Всего на стандартной дискете содержится 80 дорожек по 18 секторов в каждой. Таким образом, на двух сторонах носителя имеется 80^-18'2 = 2880 секторов, в которые может быть записано максимум 2880'512 = 1474560 байт ~ 1,4 Мбайт информации.

В дисководе для дискет (НГМД, накопитель на гибких магнитных дисках) имеются два двигателя: маршевый, обеспечивающий стабильное вращение дискеты, и шаговый, предназначенный для перемещения голо­вок чтения-записи. Последние перемещаются по радиусу от края диска к его центру дискретными интервалами.

Скорость вращения двигателя НГМД (от 300 до 360 об/мин) зависит от типа дискеты. Скорость чтения/записи составляет порядка 60-65 Кбайт/сек, время доступа —около 80 мс.

Приводы LS-120 (другие названия A-Drive, SuperDisk) основаны на технологии floptical - комбинации оптической и магнитной записи. На по­верхность диска лучом лазера наносятся тонкие отражающие дорожки, не несущие никакой полезной информации, но за которыми следит лазерная головка LS (Laser Servo) для более точного позиционирования магнитной головки на магнитных дорожках. Это позволяет повысить плотность записи со 135 дорожек на дюйм у стандартных флоппи-дисков до 2490 у LS-120. Внешне такие дискеты очень похожи на обычные.

Привод LS-120 способен работать и с традиционными флоппи-дискетами емкостью 1,4 Мбайт. Скорость вращения диска составляет 720 об/мин (всего в 2,4 раза быстрее, чем у стандартного флоппи-дис­ковода), среднее время поиска 65 мс, время перехода с дорожки на до­рожку - 6 мс. Скорость чтения/записи на практике редко превышает 300

Кбайт/с. В настоящее время такие приводы выпускаются с интерфейсами ATAPI, LPT и PCMCIA.

Одним из первых устройств на рынке суперфлоппи (приводов для за­писи на съемный магнитный носитель большой емкости) стал накопитель Zip компании Iomega (1995 г.). Дисководы Zip используют 3,5-дюймо­вые диски емкостью 25 и 100 Мбайт, несовместимые со стандартными флоппи-дисками. Скорость вращения носителя составляет 2941 об/мин, среднее время поиска - 29 мс. Скорость передачи данных варьирует в пределах от 0,79 до 1,4 Мбайт/с. Выпускаются модели с интерфейсами ATAPI, SCSI, LPT и PCMCIA. К недостаткам этих приводов можно от­нести несовместимость с обычной дискетой и техническую политику компании Iomega, препятствующую выходу технологии Zip на массовый рынок.

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД, винчестеры) относятся к устройствам с несъемным носителем информации. Жесткие диски (от 1 до 10, чаще всего 2-4) монтируются на оси-шпинделе, кото­рый приводится в движение специальным двигателем (рис. 22). Скорость вращения в настоящее время обычно составляет 5400 или 7200 об/мин, но может быть и более высокой. Сами диски представляют собой обрабо­танные с высокой точностью керамические или алюминиевые пластины с магнитным покрытием из окиси железа (в ранних) или окиси хрома (в более поздних моделях). Каждый диск разбивается, как и дискета, на концентрически расположенные дорожки и секторы.

механизм позиционирования головок

Рис. 22. Устройство накопителя на жестких магнитных дисках

Головки считывания-записи вместе с несущей конструкцией (механиз­мом позиционирования), как и сами диски, помещены внутри дисковода. Система не герметична, принудительная вентиляция отсутствует. В таких накопителях используется бесконтактный способ записи-считывания благодаря использованию головок, «плавающих» над поверхностью диска на очень тонкой воздушной подушке. Она возникает из-за быстрого вращения диска и аэродинамической формы головки.

Основное достоинство жестких дисков - большая информационная емкость и малое время доступа к информации. К недостаткам следует отнести в первую очередь их высокую чувствительность к механическим воздействиям (вибрациям и толчкам), которые легко могут привести к повреждению головками магниточувствительного покрытия диска.

Современные винчестеры весьма разнообразны по своим характери­стикам. Их информационная емкость колеблется от 40-60 до 200 Гб и более, а время доступа к данным варьирует в пределах 3,5-6 мс.

Для подключения устройства к материнской плате обычно использу­ется интерфейс IDE, а последнее время все чаще - Serial ATA.

Помимо винчестеров, в ПК применяются также накопители на смен­ных жестких дисках (removable hard disk drive). Так, в накопителях SyJet с форм-фактором 3,5 дюйма используют изолированные от внешней сре­ды картриджи емкостью 1,5 Гбайт, состоящие из двух пластин с четырьмя рабочими поверхностями. Головки чтения/записи также находятся внутри картриджа. Скорость вращения диска составляет 5400 об/мин, среднее время доступа — 11 мс, средняя скорость передачи данных — 5,7 Мбайт/с. Приводы имеют интерфейсы SCSI или LPT. Стоимость хранения инфор­мации на дисках SyJet выше, чем на обычных винчестерах.

Накопители Jaz компании Iomega могут иметь емкость 540 Мбайт, 1 и 2 Гбайт. В них также используются две 3,5-дюймовых пластины в изолированном картридже. Привод выпускается с интерфейсом SCSI и имеет хорошие скоростные характеристики. Скорость вращения диска составляет 5400 об/мин, среднее время поиска 10-12 мс, скорость пере­дачи данных лежит в пределах от 3,4 до 6,6 Мбайт/с (для 1-гигабайтной модели) и от 4,9 до 8,7 Мбайт/с (для 2-гигабайтной).

Приводы CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory) используют в качестве сменных носителей информации компакт-диски. Закодиро­ванная информация наносится на специальную алюминиевую заготовку лазерным лучом, который создает на ее поверхности микроскопические впадины, разделенные плоскими участками (рис. 23). Считывание ин­формации также осуществляется при помощи лазерного луча; попадая на отражающий свет участок, он фиксируется фотодетектором (двоичная единица), а попадая во впадину - теряется (двоичный ноль). В отличие от магнитных дисков (на которых дорожки расположены в виде концен­трических колец), на компакт-дисках имеется лишь одна непрерывная дорожка в форме спирали, идущей от периметра диска к центру (как на старых музыкальных виниловых пластинках).

Инфракрасный лазер с длиной волны 780-800 нм может разместить 30-40 впадин на участке в 50 мкм. Этот параметр непосредственно определяет плотность записи информации - количество бит(впадин) на миллиметр дорожки. Скорость передачи информации, кроме того, зависит от скорости вращения диска в приводе. При так называемой «единичной» скорости обеспечивается передача 150 Кбайт в секунду, что необходимо для воспроизведения цифрового звука профессионального качества.

Рис. 23. Устройство компакт-диска

Удвоенная скорость вращения диска дает поток в 300 Кбайт/с, учетверенная - 600 Кбайт/с и т.д. Производители CD-ROM обычно указывают предельную скорость передачи информации именно в таком формате (например, 40х, 52х).

На обычные компакт-диски записывать информацию невозможно (от­сюда и название - «память только для чтения»). Тем не менее (и отчасти именно поэтому) оказалось чрезвычайно удобным записывать на CD боль­шие объемы информации, которая должна храниться в неизменном виде (материалы библиотек, архивы и фотоархивы разного рода организаций и т.п.). Большие массивы информации из самых разнообразных банков данных в настоящее время переносятся на CD-ROM и распространяются в таком виде.

Помимо дисков CD-ROM существуют также дозаписываемые (CD-R) и перезаписываемые компакт-диски (CD-RW). Эти модификации лазер­ных носителей читаются на всех приводах CD, а для записи требуют специальных устройств (CD-Writer). Их емкость может совпадать со стандартной емкостью CD-ROM (650 Мбайт), но иногда бывает и выше (700 и даже 800 Мбайт).

В конце 90-х годов на рынке появились лазерные диски нового поко­ления гораздо большей емкости — DVD (Digital Versatile Disc, цифровой многоцелевой диск); первоначально они предназначались для высокока­чественной записи полнометражных фильмов и музыки в формате Dolby Surround (с выводом на 6 колонок, что позволяет создать эффект полно­ценного объемного звучания). Сейчас эти диски широко используются для самых разных целей (в том числе для распространения компьютер­ных программ).

Если в обычном приводе CD-ROM используется луч лазера с длиной волны 780 нм, то в устройствах DVD - от 635 до 650 нм; благодаря этому плотность записи существенно выше (рис. 24). Кроме того, на DVD-дис­ках записьможет осуществляться с обеих сторон, и на каждой из них может быть размещено по два информационных слоя. Соответственно различают одно- и двусторонние, одно- и двухслойные диски. Одно­сторонние однослойные диски имеют емкость 4,7 Гбайт, двухслойные — 8,5; двусторонние однослойные вмещают 9,4, двухслойные — 17 Гбайт информации.

Рис. 24. Виды и особенности DVD дисков

Существуют также записываемые и перезаписываемые DVD-диски (в настоящее время только односторонние однослойные). При этом могут использоваться различные технологии; наибольшее распространение получили диски в форматах DVD-R, DVD-RW, DVD+R, DVD+RW, DVD-RAM.

Магнитооптические диски объединяют достижения магнитной и оптической технологий; данныена них записывают при помощи пере­менного магнитного поля (поля смещения) и луча лазера. Поверхность носителя покрывают пленкой магнитного материала с высокой коэрцитив­ной силой, который не может быть перемагничен при обычной темпера­туре приложенным к нему полем смещения. При нагревании лазером до определенной температуры (точки Кюри) свойства магнитного материала меняются и становится возможным перемагничивание участка. В осталь­ное время диск практически нечувствителен к магнитному полю, поэтому на сегодня это один из самых надежных способов хранения и переноса информации. Считывание данных с носителя также происходит при по­мощи луча лазера, но уже меньшей мощности. При этом используется эффект Фарадея, заключающийся в изменении плоскости поляризации отраженного луча в зависимости от направления магнитного поля.

Современные магнитооптические накопители имеют форм-фактор 3,5 или 5,25 дюйма. Первые используют диски объемом 128, 230 и 640 Мбайт, вторые — 650 Мбайт, 1,3, 2,6 и 5,2 Гбайт (стандартом предусмо-

трены также 5,25-дюймовые диски на 10,4 Гбайт и 3,5-дюймовые диски на 1,3 и 2,6 Гбайт). Для большинства 5,25-дюймовых моделей скорость вращения составляет 3000-3700 об/мин, среднее время поиска - от 17 до 35 мс, производительность - 3,9 Мбайт/с. Для 3,5-дюймовых приводов эти показатели составляют соответственно 2700-3600 об/мин, от 30 до 70 мс, 1,8 Мбайт/с.

В качестве перспективных устройств хранения данных можно от­метить также сверхминиатюрные дисковые накопители Microdrive ем­костью до 4,3 Гб и модули флэш-памяти емкостью 128, 256, 512 Мб и 1Гб (рис. 25).

Рис. 25. Сверхминиатюрные дисковые накопители Microdrive и модуль флэш-памяти Memory Stick

Накопители на магнитной ленте (tape drives, НМЛ) используются в вычислительной технике уже очень давно; они появились задолго до создания первого ПК. К их преимуществам относится простота записи и считывания информации, компактность ее расположения при большой емкости, а также низкая стоимость носителя в пересчете на единицу хранимой информации. Вместе с тем среднее время доступа к данным у этих устройств, по нынешним понятиям, недопустимо велико; поэтому в настоящее время их используют почти исключительно для резервного копирования и хранения больших объемов информации.

Существует несколько разновидностей накопителей на магнитной лен­те. С персональными компьютерами в основном используют стримеры -устройства с лентопротяжным механизмом, работающим в инерционном режиме (рис. 26). При этом длина отрезка магнитной ленты, проходящей мимо головки чтения/записи при остановке или перезапуске, превышает длину промежутка между блоками информации, записанными на ней. Поэтому после остановки ленту необходимо вернуть (перемотать) назад, и лишь затем можно переходить к следующему сеансу работы. При передаче относительно больших объемов данных (начиная с десятков килобайт) инерционный режим обладает неоспоримыми преимуществами перед применявшимся ранее режимом работы «старт-стоп», так как по­зволяет передавать информацию на значительно более высокой скорости. При инерционном режиме промежутки между блоками информации могут быть очень короткими, поэтому объем данных, хранимых на ленте фиксированной длины, может быть увеличен. Не следует, однако, за­бывать об основном недостатке этого режима - очень большом времени повторного позиционирования (от 100 мс до 2 с). Именно поэтому ис­пользование стримеров ограничено в основном операциями резервного копирования и архивирования данных с жестких дисков.

Рис. 26. Внешний вид стримеров и картриджей к ним

В качестве носителей информации в современных стримерах исполь­зуют специальные кассеты - картриджи. Они различаются по внутренне­му устройству и по ширине самой ленты и носят следующие названия-четвертьдюймовые картриджи QIC (Quarter Inch Cartridge), 8-мм и 4-мм картриджи DAT (Digital Audio Tape), 8-мм картриджи DLT (Digital Linear Таре). При записи информации на ленту контроллер стримера или про­граммное обеспечение архивирования пытаются сжимать записываемую информацию, поэтому в качестве скорости записи и емкости картриджа принято указывать цифры, вдвое превышающие реальные величины. Далеко не всегда это правильно; например, при записи на ленту уже сжа­тых архивов попытка дополнительного сжатия чаще всего приводит не к уменьшению, а к увеличению объема записываемой информации.

Существуют два варианта резервирования данных на стримере:

побитовое картирование (отображение) диска;

записьв файловом режиме.

Побитовое картирование подразумевает получение абсолютно точ­ной копии диска на картридже («битв бит»). Процесс этот достаточно длительный, но он позволяет не заботиться о том, какие именно файлы подлежат резервированию, а какие нет. Кроме того, сохраняются и все служебные области диска. Данный режим предпочтителен, если исходный диск в дальнейшем может быть подвергнут какой-либо операции, свя­занной с уничтожением меток формата или нарушением целостности служебных областей.

Файловый режим предполагает резервирование данных с жесткого диска в виде последовательности файлов. При этом все данныена диске, не входящие в содержимое файлов (например, метка диска или файлы, помеченные как удаленные, но фактически не стертые), не резервируются. Такой метод резервного копирования больше подходит для повседневного архивирования важнейших файлов.