Назовите физические принципы энергонезависимого хранения информации. Приведите примеры устройств, в которых эти принципы используются

Устройства хранения, относящиеся к внешней памяти компьютера, обеспечива­ют энергонезависимое хранение блоков информации на каком-либо физиче­ском носителе. Физические принципы энергонезависимого хранения и соответ­ствующие им носители разнообразны. Наибольшее распространение получили следующие:

—Магнитный принцип основан на перемагничивании участков носителя в со­ответствии со значениями битов записываемой информации. Этот принцип реализуется в устройствах с подвижным носителем в виде диска или ленты, где запись и считывание производится на дорожку (трек). Головка записи вызывает изменение намагниченности участков трека в соответствии с запи­сываемой битовой последовательностью. При считывании регистрируется изменение магнитного поля, связанное с прохождением под головкой уча­стков трека, и из этих изменений извлекается ранее записанная информация. Существуют магнитные устройства хранения и с неподвижным носителем. В «древней» истории компьютеров применялись матрицы (кубы) памяти на магнитных сердечниках. В настоящее время используются (но пока еще не широко) микросхемы памяти FRAM (Ferroelectric Random Access Memory — ферроэлектрическая оперативная память). В магнитооптических устройст­вах принцип хранения — магнитный, оптика (лазер) используется лишь для разогрева перемагничиваемого участка при записи (это позволяет значи­тельно уменьшить размер участка — повысить плотность записи) и считыва­нии (свойства отраженного луча зависят от состояния магнитной «ячейки»).

—Оптический принцип основан на изменении оптических свойств участка но­сителя: степени прозрачности или коэффициента отражения. Способы, ка­кими эти изменения достигаются, различны. В первых оптических устройствах использовался механический способ записи — пробивали отверстия в пер­фолентах и перфокартах. В современных оптических устройствах на дисках CD и DVD изменение оптических свойств достигается с помощью лазера, выжигающего лунки (необратимо, однократно) или изменяющего состояние участка (обратимо, многократно). Выпуск массового тиража оптических но­сителей с информацией возможен и с помощью различных технологий пе­чати.

—Электрический принцип основан на пороговых эффектах в полупроводни­ковых структурах. Этот принцип используется в твердотельной памяти — флэш-памяти и EEPROM. Здесь для изменения состояния хранящей ячейки требуется значительная энергия (довольно длительное воздействие сильно­го электрического поля), что и происходит в процессе записи, называемом программированием. Считывание требует значительно меньших затрат как энергии, так и времени. Под твердотельностью в этих устройствах подразу­мевается отсутствие относительного движения носителя и головок записи-считывания.

Устройство хранения тем или иным способом подключается к хосту — компь­ютеру, в котором, как минимум, присутствуют процессор и оперативная па­мять. Для хоста устройство хранения должно обеспечивать возможность запи­си блоков данных из внутренней памяти (как правило, ОЗУ) в устройство и считывание этих блоков из устройства в ОЗУ. Взаимодействие с устройством хранения выполняется по инициативе хоста (программы, выполняемой его процессором). В отличие от взаимодействия с внутренней памятью, с которой можно оперировать на уровне записи-чтения отдельных байтов, операции об­мена с устройствами хранения всегда блочные. Блок может быть как фиксиро­ванного, так и произвольного размера. В настоящее время большее распростра­нение получили устройства с фиксированным размером блока — это упрощает многие аспекты взаимодействия. Самый популярный размер блока — 512 байт, хотя в ряде устройств используются и иные размеры блока. Блок может быть переписан из внутренней памяти во внешнюю или обратно только целиком, и для выполнения любой операции обмена с внешней памятью требуется спе­циальная процедура (подпрограмма).
Блоки в устройстве могут адресоваться различными способами. Наиболее про­стой и удобной является линейная адресация логических блоков, при которой каж­дый блок хранимых данных адресуется одномерным адресом (числом) LBA (Logical Block Address — адрес логического блока). Исторически сложилось ис­пользование и иных способов адресации; для дисковых устройств это трехмер­ная адресация CHS (Cylinder-Head-Sector — цилиндр-головка-сектор).

Поясните принцип работы жёсткого диска (HDD), назовите его основные технические характеристики, а также их значения для современных моделей. Какие применяются интерфейсы для их подключения к материнской плате, какая, при этом, обеспечивается скорость передачи данных?

Виды жестких дисков

• SCSI (Smart Computer Systems Interface – системный интерфейс малых компьютеров). Данный интерфейс (кстати, его название читается как «скази», хотя это и противоречит правильному английскому произношению) был создан в 1986 году и предназначен для подключения к компьютеру различных устройств, в том числе винчестеров.

SCSI отличается высокой скоростью передачи данных (до 320 Мбайт/с), низкой нагрузкой на процессор и возможностью одновременного подключения до 15 устройств (как внутренних, так и внешних).

• Интерфейс ATA (Advanced Technology Attachment) был создан в качестве альтернативы SCSI. Его разновидность PATA (Parallel ATA) используется для подключения так называемых IDE – устройств, имеющих встроенный контроллер

Это означает, что для IDE-диска не нужно отдельно покупать контроллер, в отличие от SCSI.

Следует отметить, что ATA-интерфейс имеет и ряд недостатков:

– несколько меньшую производительность – наиболее быстрые спецификации интерфейса UltraATA/100 и UltraATA/133 позволяют осуществлять передачу данных со скоростью 100 и 133 Мбайт/с соответственно (сравните со скоростью SCSI);

– невозможность подключения более четырех устройств;

– невозможность подключения внешних устройств.

• SATA (Serial ATA) – новая технология, которая, несомненно, вытеснит ATA (рис. 4.12). В настоящее время интерфейс SATA позволяет передавать данные со скоростью 150 Мбайт/с, но разработчики обещают, что скоро увеличат этот показатель до 600 Мбайт/с.

• SATA II – дальнейшее развитие интерфейса SATA. Скорость обмена данными у этого интерфейса достигает 300 Мбайт/с.

Реальная же скорость приема/передачи данных от винчестера контроллеру и в обратном направлении, как правило, ниже. Это зависит от множества факторов.

• Объем. Здесь, как и в большинстве случаев с памятью, действует правило: чем больше – тем лучше! В настоящее время вы можете найти в продаже жесткие диски объемом от 80 Гбайт. При выборе винчестера следует учитывать, что стоимость дисков, отличающихся друг от друга по объему в два раза, может разниться на каких-нибудь $10. Поэтому стоит обращать внимание и на другие его параметры.

• Скорость вращения шпинделя. Данный параметр влияет на скорость работы жесткого диска и, как следствие, на производительность всего компьютера. Так что на скорости вращения шпинделя мы бы экономить не советовали, тем более что стоимость более быстрой модели не значительно выше.

Максимальная скорость вращения для IDE-дисков составляет 7200 об/мин, более медленные крутятся со скоростью 5400 об/мин (это значение встречается уже разве что у винчестеров ноутбуков). Один из авторов слышал как-то забавный довод, что, мол, медленные «винты» реже ломаются. Так давайте вернемся к счетам с костяшками, они вообще вечные.

• Размер кеша. Да, и в жестком диске есть кеш. Это ускоряет обмен информацией, так как в кеше хранятся данные, которые наиболее часто требуются процессору. Легко догадаться, что чем кеш больше, тем лучше. Как правило, сейчас встречаются жесткие диски с размером кеша 2Мбайт, но можно найти и 8Мбайт. Если у вас есть возможность выбрать жесткий диск с кешем большего объема, советуем это сделать.

• Скорость передачи данных. Этот параметр особенно актуален для IDE-винчестеров. Сами понимаете, чем скорость выше, тем лучше. Как мы уже говорили, лучший показатель на сегодняшний день – 133 Мбайт/с для IDE, разумеется, до 150 Мбайт/с для SATA и до 300 Мбайт/с для SATA II.

• Издаваемый при работе шум. Это самый безобидный показатель работы жестких дисков. При плотно закрытых крышках системного блока даже самый шумный винчестер будет едва слышен (правда, некоторых и он раздражает). Различные модели жестких дисков шумят по-разному, так что, если вы хотите выбрать более тихий, проконсультируйтесь с продавцом. Кстати, в качественных компьютерных корпусах реализована мягкая подвеска жестких дисков с помощью резиновых втулок. Она гасит основную часть шума, производимого жестким диском. В общем, это нетрудно реализовать и самостоятельно – нужно просто вырезать из старой велосипедной камеры шайбы и прикрутить винчестер через них.