время безотказной работы.

Емкость накопителя информации представляет собоймаксимальный объем данных, которые можно записать на носитель информации. Емкость ВЗУ обычно измеряют в килобайтах, мегабайтах или гигабайтах.

Быстродействие накопителя информации зависит от нескольких его параметров (характеристик), и поэтому является комплексной характеристикой ВЗУ. Объясним данное положение более подробно.

Обращение к ВЗУ в общем случае предполагает последовательное выполнение двух операций:

а) доступа к носителю информации – подведения к головке (головкам) участка носителя, где находится нужная информация или куда информация должна быть записана;

б) считывания и передачи информации из ВЗУ в оперативную память или передачи информации из оперативной памяти в ВЗУ и записи ее на носитель.

Поэтому быстродействие ВЗУ определяется двумя показателями - средним (максимальным)временем доступаt_дост. и скоростью передачи данныхV_з/чт (скоростью записи-считывания).

На носителе, как правило, информация располагается упорядоченно, поэтому целесообразно, чтобы при обращении к ВЗУ происходили запись или считывание не отдельного слова или байта, а последовательно расположенного блока или массива данных. Этим достигается уменьшение влияния времени доступа на быстродействие ВЗУ.

Устройства внешней памяти делятся на устройства с прямым доступом и последовательным доступом. В устройствах с прямым доступом, к которым относятся накопители на магнитных (оптических) дисках, время доступа практически мало зависит от положения носителя информации относительно головки (головок) в момент инициирования обращения к ВЗУ, что достигается циклическим движением носителя с большой скоростью относительно головки (головок). В устройствах с последовательным доступом (ВЗУ на магнитных лентах) для поиска нужного участка носителя требуется последовательный просмотр записанной на носителе информации, для чего в неблагоприятных случаях расположения головок и нужного участка магнитной ленты может потребоваться значительно больше времени, чем в устройствах с прямым доступом.

Время доступа характеризует только скорость позиционирования головки (головок), а то, как быстро будут считаны (записаны) данные, т. е. скорость передачи данных, зависит от таких характеристик накопителя, как количество байт в секторе, количество секторов на дорожке и, наконец, от скорости вращения диска (перемещения магнитной ленты).

Из-за большого различия в быстродействии оперативной памяти и ВЗУ, обращения к накопителям информации порождают потери производительности ЭВМ. Поэтому быстродействие ВЗУ является показателем не менее, а в ряде случаев даже более важным, чем его емкость.

Емкость и быстродействие накопителя информации тесно связаны с такой его характеристикой, как плотность записи информации. Поэтому одним из важнейших направлений улучшения характеристик ВЗУ является повышение плотности записи, что представляет собой сложную инженерную проблему, решение которой связано с улучшением конструкции и технологии изготовления основных узлов ВЗУ, в первую очередь, носителя информации и магнитных головок, создания новых методов магнитной записи и способов кодирования записываемой информации, обеспечивающих корректирование ошибок при считывании.

Время безотказной работы – это среднестатистическое время между сбоями (под сбоем понимают воспроизведение информации с ошибкой). Данный показатель характеризует надежность накопителя информации. Согласно данных фирм-изготовителей, время безотказной работы для различных накопителей обычно составляет 20 000 … 500 000 часов, а иногда даже и 1 000 000 часов. Но к этим цифрам нужно относиться осторожно. Нетрудно подсчитать, что при круглосуточной работе компьютера в течение года его наработка составит 8760 часов. Таким образом, для подтверждения заявленных 500 000 часов безотказной работы понадобится примерно 57 лет. А практика показывает, что при интенсивности использования компьютера 8 … 10 часов в сутки срок безотказной эксплуатации накопителей информации составляет в среднем 5 … 10 лет.

Кроме перечисленных характеристик ВЗУ на практике часто используется еще одна – относительнаястоимость накопителя. Она характеризует стоимость хранения единицы объема данных и определяется как отношение стоимости устройства к его емкости.

Теперь более подробно остановимся на изучении устройства и особенностей функционирования ВЗУ, нашедших широкое применение в современных ПЭВМ.

Рисунок 4 – Классификация ВЗУ

Рассмотрим особенности устройств внешней памяти в соответствии с приведенной классификацией.

ВЗУ на магнитной ленте (НМЛ). Запоминающие устройства на магнитной ленте являются традиционными в перечне средств вычислительной техники. Особенно популярными эти накопители информации были в эпоху мини- и больших ЭВМ, поскольку позволяли хранить объемы информации существенно большие, чем накопители на магнитных дисках.

Среди ВЗУ на магнитной ленте, находящих применение в настоящее время, различают НМЛ на базе кассетных магнитофонов и стримеры.

Накопители на базе кассетных магнитофонов находят применение лишь в бытовых микро-ЭВМ в качестве основной внешней памяти при полном отсутствии дисковых накопителей. Следует отметить, что сегодня бытовые микро-ЭВМ практически вытеснены современными персональными компьютерами, а вместе с ними уходят в небытие и накопители названного типа .

Стример – это устройство для архивирования и резервного копирования больших объемов данных на компактные носители. Стримеры бывают выполнены в виде внутреннего или внешнего устройства. В качестве носителя информации в них используется магнитная лента, похожая на ленту в обычной аудиокассете.

По сути, стример – это накопитель на магнитной ленте (цифровой кассетный магнитофон), в котором используются специальные кассеты – ленточные картриджи, позволяющие защитить носитель информации от внешних воздействий.

Максимальный объем данных, которые позволяет хранить стример, может достигать 100 Гбайт. Основной недостаток стримеров – малая скорость передачи данных. Для лучших образцов устройств эта характеристика достигает значения 12 Мбайт/с.

Независимо от типа НМЛ, на носителе информации (магнитной ленте) формируется 9 дорожек, из которых 8 являются информационными, а девятая – контрольной. По ширине ленты помещается ровно один байт данных. Ширина ленты, в зависимости от типа НМЛ, изменяется в следующих пределах: лента в бобинах 12,7 мм (0,5 дюйма); кассетные НМЛ – 6,35 мм (0,25 дюйма); компакт-кассеты – 3,8 мм (0,15 дюйма).

ВЗУ на магнитных дисках (НМД) – наиболее популярные устройства внешней памяти. Можно сказать, что эти устройства в настоящее время являются основными накопителями информации ПЭВМ. Любой современный персональный компьютер содержит как минимум один накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД), и накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД). При наличии в составе ПЭВМ только НГМД работа на ней становится неудобной из-за ограниченности емкости гибких дисков (ГД). Кроме этого, в последнем случае ПЭВМ может функционировать только под управлением операционной системы MS-DOS, поскольку операционная система Windows требует емкости накопителя, существенно превышающей емкость НГМД.

Общим для НГМД и НЖМД является тип носителя информации – магнитный диск(МД). Рассматриваемые ВЗУ относятся к электромеханическим устройствам с носителем информации в виде движущейся поверхности, покрытой тонким слоем магнитного материала. Они являются устройствами с произвольным обращением, допускающим многократное считывание информации и запись новой информации на место ранее записанной. Электромеханические ВЗУ компактны, сравнительно дешевы (в пересчете стоимости на 1 бит хранимой информации), позволяют хранить в одном устройстве (модуле) объемы информации от единиц Мбайт до десятков Гбайт.

Рассмотрим более подробно накопители информации на магнитных дисках.

Накопители информации на гибких магнитных дисках (НГМД) – это устройства со сменными носителями информации, позволяющие считывать и записывать информацию и обеспечивающие хранение сравнительно небольших объемов информации.

В качестве носителей информации в НГМД используются гибкие магнитные диски (дискеты), которые позволяют обеспечить перенос программ и данных между ПЭВМ, а также создание небольших архивов данных.

Информация на дискете запоминается путем изменения ее намагниченности. Изменение поля в магнитной головке ориентирует магнитные частицы дискеты в направлении "север-юг" или "юг-север". Так представляются логические состояния "1" или "0".

НГМД для ПЭВМ бывают двух размеров – 5,25 дюйма и 3,5 дюйма, которые отличаются, в первую очередь, емкостью. НГМД 3,5 дюйма обладают более высокой емкостью (1,44 или 2,88 Мбайт по сравнению с 1,2 Мбайт для НГМД 5,25 дюйма) и меньшими размерами, поэтому в настоящее время в ПЭВМ применяются в основном только эти НГМД.

В корпусе НГМД имеется два двигателя: один обеспечивает стабильную скорость вращения вставленной в накопитель дискеты, а второй перемещает головки записи-чтения. Заметим, что скорость вращения первого двигателя зависит от типа дискеты и составляет от 300 до З60 об/мин. Двигатель для перемещения головок в этих приводах всегда шаговый. С его помощью головки перемещаются радиально от края диска к его центру и обратно дискретными интервалами. В данном устройстве головки прижаты с ничтожным усилием к поверхности гибкого диска.

Двигатель привода гибкого диска включается только при доступе к накопителю с целью чтения или записи информации. Следовательно диск непрерывно не вращается.

НГМД имеет щель для установки дискеты. После ввода дискеты эта щель обычно закрывается откидной заслонкой или дверцей. НГМД традиционно монтируется в системный блок ПЭВМ.

Количество магнитных головок зависит от обслуживаемого числа рабочих поверхностей дискеты. В настоящее время все дискеты являются двухсторонними, а НГМД, соответственно, имеют две магнитные головки.

Для подключения НГМД к ПЭВМ служит контроллер, расположенный на материнской плате. Он управляет работой всех узлов привода: включает и выключает двигатель вращения диска, задерживает его выключение на несколько секунд для ускорения доступа к данным в случае повторного обращения. По индексной метке на дискете контроллер находит нужную дорожку и устанавливает на нее головку записи-чтения. Он также проверяет, закрыт или не закрыт вырез в пластиковом конверте диска, запрещая в первом случае операцию записи. Контроллер соединен с накопителем 34-контактным кабелем. К одному контроллеру обычно могут подключатся два НГМД.

Рисунок 5 – Схема размещения информации на дисках

Емкость дискеты E может быть определена по формуле:

где n – число рабочих поверхностей дискеты;

d_c – емкость сектора;

U_c – число секторов;

K_Д – количество дорожек.

Пример. Рассчитать емкость двухсторонней гибкой дискеты, подготовленной к работе, имеющей 80 дорожек и 15 секторов емкостью 512 байт.

E= 2·512·18·80 = 1 474 560 байт = 1,44 Мбайт.

Не слишком греша против истины, можно сказать, что наиболее популярным устройством внешней памяти любого IBM-совместимого персонального компьютера является его накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД). Их также часто называют винчестерами.

Накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД) – это устройство, предназначенное для долговременного хранения программ и массивов данных большого объема без возможности их непосредственного переноса с одной ПЭВМ на другую.

Кратко рассмотрим устройство винчестера. В корпусе из прессованного алюминия размещаются следующие элементы винчестера: управляющий двигатель, носитель информации (магнитные диски), привод носителя информации, головки чтения-записии электроника. Корпус винчестера закрыт герметично, что защищает его элементы от внешних воздействий (пыли, влаги, магнитных полей).

Носители информации (диски), смонтированы на оси-шпинделе в виде пакета. Пакет дисков приводится в движение с помощью двигателя. Скорость вращения дискового пакета составляет 4500 … 12 000 об/мин., в зависимости от типа накопителя. Понятно, что чем выше скорость вращения дисков, тем быстрее происходит обмен информацией между винчестером и ОЗУ. Пакет дисков в винчестере вращается непрерывно, даже тогда, когда к нему не происходит обращения.

Сами диски представляют собой обработанные с высокой точностью керамические или алюминиевые пластины, на которые нанесен специальный магнитный слой (покрытие). Количество дисков в пакете может быть различным – от одного до пяти и выше. Число рабочих поверхностей, соответственно, в два раза больше. Правда, иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них) не используются для хранения данных. В этом случае число рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Одной из наиболее важных частей любого накопителя являются головки чтения-записи. Как правило, они закреплены на специальном позиционере, который напоминает рычаг звукоснимателя на проигрывателе грампластинок. Позиционер с головками приводится в движение с помощью шагового двигателя.

В отличие от НГМД, где головки имеют непосредственный контакт с носителем информации, у винчестеров головки чтения/записи "парят" над поверхностью дисков на воздушной подушке. Расстояние между диском и головкой составляет примерно 0,05 … 0,1 мкм. Вследствие большой скорости вращения дисков и малого расстояния, на котором расположены головки от дисков, частицы грязи представляют потенциальную угрозу разрушения материала носителя. Именно поэтому корпус винчестера выполнен герметичным.

Кроме перечисленного, внутри любого винчестера обязательно находится печатная плата с электронными компонентами, которые необходимы для нормального функционирования устройства привода. Так, например, электронная схема расшифровывает команды контроллера жесткого диска, стабилизирует скорость вращения двигателя, генерирует сигналы для головок записи и усиливает их от головок чтения и т. п.

Непременными компонентами большинства винчестеров являются барометрические фильтры, выравнивающие внутреннее и наружное давления, а также обычные воздушные фильтры.

Если говорить о характеристиках винчестеров, то в настоящее время их емкость для разных типов может изменяться от 10 до 30 и более Гбайт. НЖМД меньшей емкости найти достаточно сложно, поскольку фирмы-изготовители прекратили их выпуск. Среднее время поиска данных составляет 10 … 12 мс. Время безотказной работы (по данным фирм-производителей) находится в пределах 300 000 … 500 000 часов.

Одной из разновидностей накопителей на магнитных дисках являются накопители на сменных жестких дисках. Они представляют собой устройства внешней памяти, в которых в качестве носителей информации используются пластины с магнитным покрытием, заключенные в специальные контейнеры - картриджи. Подобные накопители имеют, как правило, внешнее исполнение. Сам привод внешне во многом похож на накопитель для 5,25- или 3,5-дюймовых флоппи-дисков. Одним из основных достоинств накопителей на сменных жестких дисках является возможность переносить с одного компьютера на другой большие массивы данных (от 100 до 4700 Мбайт). Скорость передачи данных может изменяться для накопителей различных фирм и типов в пределах от 0,1 до 12 Мбайт/с, а время доступа – от 10 до 30 мс. Такие высокие характеристики достигаются, в первую очередь, за счет высокой скорости вращения диска – около 3000 об/мин.

ВЗУ на оптических дисках (НОД).Техника НОД берет начало в области методов бытовой звуковой оптической записи. Принцип работы всех существующих ныне оптических дисководов основан на использовании луча лазера для записи и чтения информации в цифровом виде. В процессе записи модулированный цифровым сигналом лазерный луч оставляет на активном слое оптического носителя след, который затем можно прочитать, направив на него луч меньшей интенсивности и проанализировав изменение характеристик отраженного луча.

По функциональному признаку НОД делятся на три категории:

НОД без возможности записи(CD-ROM);

НОД с однократной записью и многократным чтением (WORM);

НОД с возможностью перезаписи (CD-R).

Первая категория НОД использует технологию CD-ROM, которая возникла как продолжение технологии CDдля цифровой записи звука. Компакт-диски, подобно грампластинкам, записываются на заводе изготовителе и используются для распространения больших объемов информации, предназначенной только для чтения. Пользователь не имеет возможности ни стереть, ни записать информацию на таком диске, что является недостатком накопителей CD-ROM. В то же время они имеют и ряд достоинств. Среди них можно выделить следующие:

по сравнению с винчестерами, CD значительно надежнее в транспортировке;

компакт-диски имеют большую емкость: объем данных достигает 500 … 700 Мбайт;

диски являются сменными;

CD практически не изнашивается.

В отличие от винчестера, дорожки которого представляют концентрические окружности, компакт-диск содержит всего одну физическую дорожку, которая имеет форму непрерывной спирали, идущей от наружного диаметра диска к внутреннему. Тем не менее, одна физическая дорожка может быть разбита на несколько логических.

Считывание информации с компакт-диска происходит с помощью лазерного луча. Луч, попадая на отражающий свет островок, отклоняется на фотодетектор, который интерпретирует это как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, рассеивается и поглощается - фотодетектор фиксирует двоичный нуль. В качестве отражающей поверхности обычно используется алюминий.

В то время как все магнитные диски вращаются с постоянным числом оборотов в минуту, т. е. с неизменной угловой скоростью, компакт-диск вращается обычно с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить постоянную линейную скорость при чтении. Таким образом, чтение внутренних секторов диска осуществляется с увеличенным, а наружных – с уменьшенным числом оборотов. Именно этим обусловливается достаточно низкая скорость доступа к данным компакт дисков по сравнению, например, с винчестерами.

Оптические дисководы второй категории, основанные на технологии WORM, отличаются тем, что на оптическом диске в таких дисководах можно самостоятельно записывать информацию. Однако однажды записанную информацию ни стереть, ни перезаписать нельзя. Поэтому НОД данной категории удобны только для архивирования и особенно полезны в областях, где принципиально важно хранить единожды записанную информацию в неизменном виде.

Поистине революцией явилась технология перезаписываемых ОД (CD-R). НОД с возможностью перезаписи – это функциональные эквиваленты, а следовательно, и потенциальные конкуренты НМД.

В качестве носителя информации в НОД применяются жесткие диски, покрытые специальным оптическим материалом. Сами диски обычно изготавливаются из поликарбоната, хотя некоторые разработчики предпочитают использовать стекло.

Накопители на магнито-оптических дисках (НМОД) вобрали в себя достоинства как НМД так и НОД. Именно по этой причине при классификации мы отнесли их одновременно к накопителям обоих классов. При создании НМОД были объединены достижения магнитной и оптической технологий. Новые устройства сочетают портативность флоппи-диска, среднюю скорость работы винчестера, надежность оптического компакт-диска и емкость, сравнимую с кассетой хорошего стримера.

НМОД представляет собой накопитель информации, в основу которого положен магнитный носитель с оптическим (лазерным) управлением. Запись данных на МОД производится обычными магнитными средствами. Поверхность носителя покрыта магнитным материалом, который при обычной температуре (из-за высокой коэрцитивной силы) не может быть перемагничен приложенным к нему полем смещения. Поэтому для нагрева поверхности носителя используется лазерный луч. Считывание данных с носителя происходит только с помощью луча лазера, но уже меньшей мощности.

Магнитооптические диски (МОД) обеспечивают длительное хранение больших объемов данных. По данным фирм-производителей, срок хранения информации на МОД составляет порядка 50 лет.

В отличие от накопителя на оптических дисках, НМОД позволяет перезаписывать диск многократно. МОД нашли применение в качестве устройств резервного хранения данных и переноса данных между ПЭВМ. Емкость НМОД в настоящее время достигает 20 Мбайт.

В качестве недостатков НМОД можно выделить:

высокую стоимость;

относительно низкое быстродействие (скорость вращения диска составляет 720 об/мин, вследствие чего данные считываются со скоростью примерно 100 Кбайт/с).