Память ЭВМ и организация вычислительного процесса

• Емкость (объем) - максимальное количество информации (объем данных), который можно записать на носитель.
• Быстродействие определяется временем доступа к нужной информации, временем ее считывания/записи и скоростью передачи данных.

Емкость внешней памяти в сотни  и тысячи раз превышает емкость  оперативной памяти или вообще неограниченная, когда речь идет о накопителях  со сменными носителями. Но обращение к внешней памяти требует гораздо большего времени, так как быстродействие внешней памяти существенно меньше, чем оперативной.

Гибкие магнитные диски

Одним из наиболее распространенных носителей информации являются гибкие магнитные диски (дискеты), или флоппи-диски. Диски называются гибкими потому, что их рабочая поверхность изготовлена  из эластичного материала и покрыта  специальной, достаточно плотной пленкой, покрытой ферромагнитным слоем.

Дискета помещается в твердый  защитный пластмассовый корпус. В  центре дискеты имеется приспособление для захвата и обеспечения  вращения диска внутри корпуса. Для  доступа к магнитной поверхности  диска в защитном конверте имеется  закрытое шторкой окно.

Хранение данных, представленных двоичным кодом, обеспечивает магнитный  слой, который может иметь намагниченные  и не намагниченные участки. Намагниченный участок поверхности кодируется как 1, не намагниченный - как 0.

Информация записывается с двух сторон диска на дорожках, которые  представляют собой концентрические  окружности. Каждая дорожка разделяется  на секторы. Запись и чтение информации с дискеты возможна только при  наличии на ней разметки на дорожки  и секторы.

Для работы с гибкими магнитными дисками предназначено устройство, называемое дисководом, или накопителем  на гибких магнитных дисках (НГМД). Нгмд относится к группе накопителей  прямого доступа и устанавливается  внутри системного блока.

НГМД приводится во вращение только при команде чтения или записи, в другое время он находится в  покое. При обращении к НГМД для  записи/чтения информации магнитная  головка накопителя устанавливается  над тем сектором диска, куда нужно  записать или откуда требуется считать  информацию. 

Для этого один двигатель накопителя обеспечивает вращение диска внутри защитного конверта, а другой перемещает головку чтения / записи вдоль радиуса  поверхности диска. Головка чтения-записи во время работы механически контактирует с поверхностью дискеты, что приводит к быстрому изнашиванию дискет.

Для того, чтобы на диске можно  было хранить информацию, диск должен быть отформатирован, то есть должна быть создана физическая и логическая структура диска. Форматирование диска  производится специальной программой, входящей в системное программное  обеспечение.

Форматирование - создание физической и логической структуры диска.

Физическая структура  диска

Сторона. У каждой дискеты есть две стороны. Система рассматривает первую сторону с номером 0, а вторую - как сторону с номером 1.  
Жесткие диски имеют несколько поверхностей для записи, называемых пластинами. Нумерация сторон следующая: первой стороне первой пластины присвоен номер 0, второй стороне - номер 1, первой стороне второй пластины - номер 2 и так далее.

Дорожка. Каждая сторона пластины разделена на концентрические полоски, называемые дорожками - зона для записи данных, к которой подводится головка считывания-записи. Самая дальняя от центра дорожка на нулевой стороне верхней пластины диска - дорожка с номером 0 на стороне 0. Дорожки нумеруются последовательно от нулевой до самой ближней к центру. Число дорожек зависит от типа диска.

Сектор. Каждая дорожка делится на сектора. У диска на каждой дорожке одинаковое количество секторов. Нумерация секторов производится последовательно с 1 сектора нулевой дорожки до последнего сектора последней дорожки. Каждый сектор имеет размер 512 байт. Поэтому плотность записи данных на дорожках, лежащих ближе к центру выше, чем на крайних.

Цилиндр - так называют дорожки, расположенные на разных сторонах диска (для жестких дисков и на разных пластинах), но имеющие одинаковый радиус.

Кластер - минимальный адресуемый элемент носителя информации (см. логическую структуру диска)

Форматирование физической структуры диска состоит в магнитной разметке поверхности диска на дорожки и секторы. Для этого в процессе форматирования магнитная головка дисковода расставляет в определенных местах диска метки дорожек и секторов. После форматирования гибкого диска 3,5", его стандартные параметры будут следующие:

• сторон – 2
• дорожек на одной стороне – 80
• количество секторов на одной дорожке – 18
• информационная емкость сектора – 512 байт

В процессе форматирования можно задавать нестандартные параметры форматирования.

Логическая структура  диска

Основными элементами логической структуры  диска являются:

Кластер - минимальный адресуемый элемент носителя информации, который может включать в себя несколько секторов. Размер кластера (от 512 байтов до 64Кбайт) зависит от типа используемой файловой системы. На гибком диске кластер равен 1 сектору, то есть минимальным адресуемым элементом на дискете является сектор. Файловая система отслеживает, какие из кластеров в настоящий момент используются, какие свободны, какие помечены, как неисправные. При записи файла всегда будет занято целое число кластеров, соответственно минимальный размер файла равен размеру одного кластера.

Таблица размещения файлов (FAT-таблица), в которой содержится полная информация о кластерах, которые занимают файлы.

Корневой каталог. Файловая система организует кластеры в файлы и каталоги. Каталоги реально являются также файлами определенной структуры, содержащими список файлов и подкаталогов, принадлежащих данному каталогу. Для размещения корневого каталога и таблицы FAT на гибком диске отводятся сектора со 2 по 33. Первый сектор отводится для размещения загрузочной записи операционной системы. Сами файлы могут быть записаны, начиная с 34 сектора.

Файлы. Основными параметрами дискеты является технологический размер (в дюймах), плотность записи и полная емкость. В настоящее время стандартом являются дискеты размером 3,5 дюйма, высокой плотности HD, имеющие емкость 1,44 Мбайта.

Жесткие магнитные  диски

Жесткие магнитные диски  представляют собой несколько металлических  либо керамических дисков, покрытых магнитным  слоем. Диски вместе с блоком магнитных  головок установлены внутри герметичного корпуса накопителя на жестких магнитных  дисках (НЖМД), обычно называемого винчестером.

Термин «винчестер» возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973гю), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30"/30" известного охотничьего ружья  «винчестер». Жесткий диск представляет собой очень сложное устройство с высокоточной механикой и электронной  платой, управляющей работой диска.

Структура жестких дисков имеет  в целом такую же структуру, как  и гибкие магнитные диски.

Магнитные пластины, установленные  в накопителе, размещены на одной  оси и вращаются с большой  угловой скоростью. Обе стороны  каждой пластины покрыты тонким слоем  намагниченного материала запись проводится на обе поверхности каждой пластины (кроме крайних).

У каждой магнитной стороны  каждой пластины есть своя магнитная  головка чтения/записи. Эти головки  соединяются вместе и движутся радиально (по радиусу) по отношению к пластинам. Таки образом обеспечивается доступ к любой дорожке любой пластины

За счет использования  нескольких магнитных пластин и  гораздо большего количества дорожек  на каждой стороне пластины информационная емкость жестких дисков может  достигать 500 Гбайт.

Также как и НГМД, НЖМД относится к классу носителей  с произвольным доступом к информации.

Основные характеристики винчестеров:

• быстродействие, определяемое временем доступа к нужной информации, временем ее считывания/записи и скоростью передачи данных
• емкость, то есть максимальданных, который можно записать на носитель;
• время безотказной работы (обычно составляет примерно 50 лет).

Во всех современных дисковых накопителях  устанавливается кэш-буфер (память), 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.

Оптические  диски

Оптические (лазерные) диски в настоящее  время являются наиболее популярными  носителями информации. В них используется оптический принцип записи и считывания информации с помощью лазерного  луча.

Информация на лазерном диске записывается на одну спиралевидную дорожку, начинающуюся от центра диска и содержащую чередующиеся участки впадин и выступов с различной  отражающей способностью.

При считывании информации с оптических дисков луч лазера, установленного в дисководе, падает на поверхность  вращающегося диска и отражается. Так как поверхность оптического  диска имеет участки с различными коэффициентами отражения, то отраженный луч также меняет свою интенсивность (логические 0 или 1). Затем отраженные световые импульсы преобразуются с  помощью фотоэлементов в электрические  импульсы.

В процессе записи информации на оптические диски применяются различные  технологии: от простой штамповки  до изменения отражающей способности  участков поверхности диска с  помощью мощного лазера.

Существует два типа оптических дисков:

  CD-диски (CD - Compact Disk, компакт  диск), на который может быть  записано до 700 Мбайт информации;

DVD-диски (DVD - Digital Versatile Disk, цифровой универсальный диск), которые  имеют значительно большую информационную  емкость (4,7 Гбайт), так как оптические  дорожки на них имеют меньшую  толщину и размещены более плотно. DVD-диски могут быть двухслойными (емкость 8,5 Гбайт), при этом оба слоя имеют отражающую поверхность, несущую информацию. Кроме того, информационная емкость DVD-дисков может быть еще удвоена (до 17 Гбайт), так как информация может быть записана на двух сторонах.

В настоящее время (2006 год) на рынок поступили оптические диски (HP DVD и Blu-Ray), информационная емкость  которых в 3-5 раз превосходит информационную емкость DVD-дисков за счет использования  синего лазера с длиной волны 405 нанометров.

Накопители оптических дисков делятся на три вида:

•   Без возможности записи - CD-ROM и DVD-ROM  
  (ROM — Read Only Memory, память только для чтения).  
  На дисках CD-ROM и DVD-ROM хранится информация, которая была записана на них в процессе изготовления. Запись на них новой информации невозможна.
• С однократной записью и многократным чтением -  
  CD-R и DVD±R (R — recordable, записываемый). На дисках CD-R и DVD±R информация может быть записана, но только один раз. Данные записываются на диск лучом лазера повышенной мощности, который разрушает органический краситель записывающего слоя и меняет его отражательные свойства. Управляя мощностью лазера, на записывающем слое получают чередование темных и светлых пятен, которые при чтении интерпретируются как логические 0 и 1.
• С возможностью перезаписи - CD-RW и DVD±RW  
  (RW — Rewritable, перезаписываемый).На дисках CD-RW и DVD±RW информация может быть записана и стерта многократно.  
  Записывающий слой изготавливается из специального сплава, который можно нагреванием приводить в два различных устойчивых агрегатных состояния, которые характеризуются различной степенью прозрачности. При записи (стирании) луч лазера нагревает участок дорожки и переводит его в одно из таких состояний. При чтении луч лазера имеет меньшую мощность и не изменяет состояние записывающего слоя, а чередующиеся участки с различной прозрачностью интерпретируются как логические 0 и 1.

Основные характеристики оптических дисководов:

• емкость диска (CD - до 700 Мбайт, DVD - до 17 Гбайт)
• скорость передачи данных от носителя в оперативную память - измеряется в долях, кратных скорости 150 Кбайт/сек для CD-дисководов (Такая скорость считывания информации была у первых CD-дисководов) и 1,3 Мбайт/сек для DVD-дисководов (Такая скорость считывания информации была у первых DVD-дисководов)

 
В настоящее время широкое  распространение получили 52х-скоростные CD-дисководы - до 7,8 Мбайт/сек. Запись CD-RW дисков производится на меньшей скорости (например, 32х кратной). Поэтому CD-дисководы маркируются тремя числами «скорость чтения Х скорость записи CD-R Х скорость записи CD-RW» (например, «52х52х32»). DVD-дисководы также маркируются тремя числами (например, «16х8х6» время доступа - время, нужное для поиска информации на диске, измеряется в миллисекундах (для CD 80-400мс).

При соблюдении правил хранения (хранения в футлярах в вертикальном положении) и эксплуатации (без нанесения  царапин и загрязнений) оптические носители могут сохранять информацию в течение десятков лет.

Дополнительная  информация о структуре дисков

Диск, созданный промышленным способом, состоит из трех слоев. На основу диска, созданного из прозрачного пластика методом штамповки наносится  информационный узор. Для штамповки  существует специальная матрица-прототип будущего диска, которая выдавливает  дорожки на поверхности. Далее на основу напыляется отражающий металлический  слой, а затем сверху еще и защитный слой из тонкой пленки или специального лака. На этот слой часто наносятся  различные рисунки и надписи. Информация считывается с рабочей  стороны диска через прозрачную основу.

Записываемые и перезаписываемые компакт-диски имеют дополнительно  еще один слой. У таких дисков основа не имеет информационного  узора, но между основой и отражающим слоем расположен регистрирующий слой, который может менять под воздействием высокой температуры. При записи лазер разогревает заданные участки регистрирующего слоя, создавая информационный узор.

DVD-диск может иметь два регистрирующих  слоя. Если один из них выполняется  по стандартной технологии, то  другой - полупрозрачный, наносится ниже первого и имеет прозрачность около 40%. Для считывания двухслойных дисков применяются сложные оптические головки с переменным фокусным расстоянием. Луч лазера, проходя через полупрозрачный слой, сначала фокусируется на внутреннем информационном слое, а по завершении его чтения перефокусируется на внешний слой.

Флэш-память