Внешняя память ЭВМ

Магнитные носители информации

Магнитные диски. Информация в ЗУ на магнитных дисках (МД) хранится на плоских металлических или пластиковых пластинах (дисках), покрытых магнитным материалом. Данные записываются и считываются с диска с помощью электромагнитной катушки, называемой головкой считывания/записи, которая в процессе считывания и записи неподвижна, в то время как диск вращается относительно нее. При записи на головку подаются электрические импульсы, намагничивающие участок поверхности под ней, причем характер намагниченности поверхности различен в зависимости от направления тока в катушке. Считывание базируется на электрическом токе, наводимом в катушке головки, под воздействием перемещающегося относительно нее магнитного поля. Когда под головкой проходит участок поверхности диска, в катушке наводится ток той же полярности, что использовался для записи информации. Несмотря на разнообразие типов магнитных дисков, принципы их организации обычно однотипны.

Данные на диске организованы в виде набора концентрических окружностей, называемых дорожками (рис. 3.11). Каждая из них имеет ту же ширину, что и головка. Соседние дорожки разделены промежутками. Это предотвращает ошибки из-за смещения головки или из-за интерференции магнитных полей. Как правило, для упрощения электроники принимается, что на всех дорожках может храниться одинаковое количество информации. Таким образом, плотность записи увеличивается от внешних дорожек к внутренним.

Рис. 3.11. Порядок размещения информации на магнитном диске

Обмен информацией с МД осуществляется блоками. Размер блока обычно меньше емкости дорожки, и данные на дорожке хранятся в виде последовательных областей – секторов, разделенных между собой промежутками. Размер сектора равен минимальному размеру блока.

Типовое число секторов на дорожке колеблется от 10 до 100. При такой организации должны быть заданы точка отсчета секторов и способ определения начала и конца каждого сектора. Все это обеспечивается с помощью форматирования, в ходе которого на диск заносится служебная информация, недоступная пользователю и используемая только аппаратурой дискового ЗУ.

Магнитные диски, будучи основой внешней памяти любой ВМ, одновременно остаются и одним из «узких мест» из-за сравнительно высокой стоимости, недостаточных производительности и отказоустойчивости. Характерно, что если в плане стоимости и надежности ситуация улучшается, то разрыв в производительности между МД и ядром ВМ постоянно растет. Так, при удвоении быстродействия процессоров примерно каждые два года для МД такое удвоение было достигнуто лишь, спустя десять лет. Ясно, что уже с самого начала использования подсистем памяти на базе МД не прекращаются попытки улучшить их характеристики. Одно из наиболее интересных и универсальных усовершенствований было предложено в 1987 году учеными университета Беркли (Калифорния). Проект известен под аббревиатурой RAID (Redundant Array of Independent (or Inexpensive) Disks) – массив независимых (или недорогих) дисков с избыточностью. В основе концепции RAID лежит переход от одного физического МД большой емкости к массиву недорогих, независимо и параллельно работающих физических дисковых ЗУ, рассматриваемых операционной системой как одно большое логическое дисковое запоминающее устройство. Такой подход позволяет повысить производительность дисковой памяти за счет возможности параллельного обслуживания запросов на считывание и запись, при условии, что данные находятся на разных дисках. Повышенная надежность достигается тем, что в массиве дисков хранится избыточная информация, позволяющая обнаружить и исправить возможные ошибки. На период, когда концепция RAID была впервые предложена, определенный выигрыш достигался и в плане стоимости. В настоящее время, с развитием технологии производства МД, утверждение об экономичности массивов RAID становится проблематичным, что, однако, вполне компенсируется их повышенными быстродействием и отказоустойчивостью.

В [5] рассмотрены пять схем организации данных и способов введения избыточности, называемые уровнями RAID: RAID 1, RAID 2, ..., RAID 5. В настоящее время производители RAID-систем, объединившиеся в ассоциацию RAB (RAID Advisory Board), договорились о единой классификации RAID, включающей в себя шесть уровней (добавлен уровень RAID 0). Известны также еще несколько схем RAID, не включенных в эту классификацию, поскольку, по сути, они представляют собой различные комбинации стандартных уровней. Хотя ни одна из схем массива МД не может быть признана идеальной для всех случаев, каждая из них позволяет существенно улучшить какой-то из показателей (производительность, отказоустойчивость) либо добиться наиболее подходящего сочетания этих показателей. Для всех уровней RAID характерны три общих свойства:

- RAID представляет собой набор физических дисковых ЗУ, управляемых операционной системой и рассматриваемых как один логический диск;

- данные распределены по физическим дискам массива;

- избыточное дисковое пространство используется для хранения дополнительной информации, гарантирующей восстановление данных в случае отказа диска.

Оптические носители информации

Оптическая память. В 1983 году была представлена первая цифровая аудиосистема на базе компакт дисков (CD – compact disk). Компакт-диск – это односторонний диск, способный хранить более чем 60-минутную аудиоинформацию. Громадный коммерческий успех CD способствовал развитию технологии дешевых оптических запоминающих устройств для ВМ. За последующие годы были созданы различные системы памяти на оптических дисках, три из которых в прогрессирующей степени приживаются в вычислительных машинах: CD-ROM, WARM и стираемые оптические диски, DVD. В настоящее время получают распространение Blu-ray диски (от англ. Blue ray – голубой луч).

CD-ROM. Для аудио компакт-дисков и CD-ROM используется идентичная технология. Основное отличие состоит в том, что проигрыватели CD-ROM более прочные и содержат устройства для исправления ошибок, обеспечивающие корректность передачи данных с диска в ВМ. Диск изготавливается из пластмассы, например поликарбоната, и покрыт окрашенным слоем с высокой отражающей способностью обычно алюминием. Цифровая информация заносится в виде микроскопических углублений в отражающей поверхности. Запись информации производится с помощью сильно сфокусированного луча лазера высокой интенсивности. Так создается так называемый мастер-диск, с которого затем печатаются копии. Углубления на копии защищаются от пыли и повреждений путем покрытия поверхности диска, прозрачным лаком.

Информация с диска считывается маломощным лазером, расположенным в проигрывателе. Лазер освещает поверхность вращающегося диска сквозь прозрачное покрытие. Интенсивность отраженного луча лазера меняется, когда он попадает в углубление на диске. Эти изменения фиксируются фотодетектором и преобразуются в цифровой сигнал.

Углубления, расположенные ближе к центру диска, перемещаются относительно луча лазера медленнее, чем более удаленные. Из-за этого необходимы меры для компенсации различий в скорости так, чтобы лазер мог считывать информацию с постоянной скоростью.

Компакт-диски основных форматов (CD и CD-ROM) использовались с 1980 года. С тех пор технологии продвинулись вперед, оптические диски большой емкости сейчас вполне доступны по цене и пользуются большим спросом.

DVD. Дальнейшее развитие технологий стало причиной рождения DVD. Первые диски и проигрыватели DVD появились в ноябре 1996 года в Японии и в марте 1997 года в США. Изначально аббревиатура DVD расшифровывалась как Digital Video Disk (цифровой видеодиск), сейчас она официально превратилась в Digital Versatile Disk (цифровой многоцелевой диск). DVD в целом похожи на компакт-диски. Как и обычные компакт-диски, они имеют 120 мм в диаметре, создаются на основе поликарбоната и содержат лунки и площадки, которые освещаются лазерным диодом и считываются фотодетектором. Однако существует несколько различий:

- меньший размер лунок (0,4 микрона вместо 0,8 микрона, как у обычного компакт-диска);

- более плотная спираль (0,74 микрона между дорожками вместо 1,6 микрона);

- красный лазер (с длиной волны 0,65 микрона вместо 0,78 микрона).

В совокупности эти усовершенствования дали семикратное увеличение емкости (до 4,7 Гбайт). Кроме того, DVD может иметь одну или две рабочие стороны и один или два рабочих слоя на каждой стороне. Таким образом, двухслойный DVD имеет емкость 8,5 Гбайт; двухсторонний – 9,4 Гбайт, а двухсторонний двухслойный уже 17,1 Гбайт.

Считывающее устройство для DVD 1х работает со скоростью 1,4 Мбайт/с (скорость работы считывающего устройства для компакт-дисков составляет 150 Кбайт/с). К несчастью, из-за перехода к красному лазеру потребовались DVD-проигрыватели с двумя лазерами или сложной оптической системой, позволяющей читать существующие музыкальные и компьютерные компакт диски. Поскольку не все DVD-проигрыватели оснащаются такими системами, не все они могут работать со старыми компакт-дисками. Кроме того, не всегда удается читать диски CD-R и CD-RW.

Blu-ray-диски (BD). Это новый формат оптического носителя, используемый для записи и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости с повышенной плотностью. Стандарт Blu-ray был разработан консорциумом BDA и получил своё название от использования для записи и чтения коротковолнового (405нм) «синего» (технически сине-фиолетового) лазера. BD был представлен на международной выставке потребительской электроники Consumer Electronics Show (CES), которая прошла в январе 2006 года. Коммерческий запуск формата Blu-ray прошел весной 2006 года.

Необходимо отметить, что с момента появления формата в 2006 году и до начала 2008 года у Blu-Ray существовал серьезный конкурент – альтернативный формат HD DVD. 19 февраля 2008 года компания Toshiba, создатель формата, прекратила разработки в области HD DVD. Это событие положило конец так называемой «войне форматов».

Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23,3/25/27 или 33 Гбайт, двухслойный диск может вместить 46,6/50/54 или 66 Гбайт информации. Также в разработке находятся диски вместимостью 100 Гб и 200 Гб с использованием соответственно четырёх и восьми слоёв. Корпорация TDK уже анонсировала прототип четырёхслойного диска объёмом 100 Гбайт.

На данный момент доступны диски BD-R и BD-RE, в разработке находится формат BD-ROM.

Уменьшение длины волны лазера в технологии BD до 405 нм позволило сузить дорожку вдвое по сравнению с обычным DVD-диском (до 0,32 мкм) и увеличить плотность записи данных. Скорость считывания информации с BD достигает 432 Мбит/с.

Магнитные ленты

ЗУ на базе магнитных лент используются в основном для архивирования информации. Носителем служит тонкая полистироловая лента шириной от 0,38-2,54 см и толщиной около 0,025 мм, покрытая магнитным слоем. Лента наматывается на бобины различного диаметра. Данные записываются последовательно, байт за байтом, от начала ленты до ее конца. Время доступа к информации на магнитной ленте значительно больше, чем у ранее рассмотренных видов внешней памяти. Однако ёмкость данного вида памяти весьма значительна и превышает по своим значениям оптические носители информации. Например, магнитная лента Dell LTO 4 имеет емкость 800 Гбайт.