Внешнее запоминающее устройство

ВЗУ – это электромеханические запоминающие устройства, которые характеризуются большим объемом хранимой информации и низким (по сравнению с электронной памятью) быстродействием.

К ВЗУ относятся: накопители на магнитной ленте (НМЛ), накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), накопители на оптических дисках (НОД). К ВЗУ можно отнести полностью электронную флэш-память.

Накопители на оптических дисках часто называют английским термином CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory). В переводе эта английская аббревиатура означает: компактный диск для чтения. Произносится сокращение так: «сиди-ром». Однако этим же термином обозначают и сами оптические диски, поэтому здесь возможны смысловые ошибки. Разумнее устройства называть накопителями на оптических дисках (НОД), проигрывателями или приводами. Накопитель на гибких дисках чаще всего называют дисководом, а НЖМД – винчестером, или жестким диском.

В зависимости от типа носителя ВЗУ можно подразделить на накопители на магнитной ленте и дисковые накопители.

Носитель – это материальный объект, способный хранить информацию.

Например, в первых ЭВМ носителями информации были бумажные ленты и карты с пробитыми (перфорироваными) отверстиями.

При магнитной записи информации с помощью записывающей головки измененяется магнитная индукция носителя. Носитель изготавливают из ферромагнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса. Располагается носитель на подложке, в качестве которой может выступать пластмассовая пленка, металлические или стеклянные диски (рис. 9.3).

Ток, протекающий по обмотке записывающей головки, создает в сердечнике (магнитопроводе) магнитный поток. Через узкий зазор в сердечнике магнитный поток намагничивает носитель в одном из двух направлений, что зависит от направления протекающего по обмотке тока. Разные направления намагниченности носителя соответствуют логическому нулю и логической единице.

Таким образом, записывающая головка – это маленький электромагнит, который своим электромагнитным полем изменяет ориентацию магнитных доменов в носителе, в зависимости от полярности протекающего по обмотке тока.

При считывании информации с ленты или диска движущийся намагниченный носитель индуцирует в считывающей головке электродвижущую силу. Полярность возникающего на обмотке напряжения зависит от направления намагниченности носителя.

Наибольшее распространение среди НГМД имеют дисководы для дискет диаметром 3,5 дюйма. Емкость таких дискет составляет 1,44 Мбайт (хотя есть возможность записать на такую дискету больший объем информации). Дискета имеет жесткий пластмассовый корпус с металлической перемещающейся крышкой (заслонкой). Корпус и крышка защищают рабочие поверхности гибкого диска от загрязнения и механических повреждений. Специальные механические приспособления обеспечивают защиту диска от случайной записи или стирания информации.

Рис. 9.3. Запись информации на гибкий диск

Заметим, что гибкий диск иногда называют флоппи-диском. Толщина гибкого диска составляет 80…120 мкм.

Винчестер содержит набор пластин (рис. 9.4), представляющих собой чаще всего металлические диски, покрытые магнитным материалом (гамма-феррит-оксид, феррит бария, окись хрома и т. п.) и соединенные между собой при помощи шпинделя (вала, оси).

Жесткие диски изготавливаются из алюминия, латуни, керамики или стекла (толщина примерно 2 мм). Для записи данных используются обе поверхности дисков. В современных НЖМД используется от 4 до 9 пластин. Шпиндель вращается с высокой постоянной скоростью (обычно 3600, 4500, 5400 или 7200 об/мин). Вращение дисков и радиальное перемещение головок осуществляется с помощью двух электродвигателей.

Рис. 9.4. Запись информации на жесткий диск

Данные записываются или считываются с помощью головок записи и считывания, по одной на каждую поверхность диска. На рис. 9.4 упрощенно показаны головки, расположенные только с одной стороны диска (фактически их в 2 раза больше).

Запись информации на диск ведется по строго определенным местам — концентрическим дорожкам (трекам), причем дорожки делятся на секторы. В одном секторе может размещаться 128, 256, 512 или 1024 байта информации. Обмен данными между НМД и ОЗУ осуществляется последовательно целым числом секторов.

Специальный двигатель с помощью кронштейна позиционирует головку над заданной дорожкой (перемещает ее в радиальном направлении). При повороте диска головка располагается над нужным сектором. Очевидно, что все головки перемещаются одновременно и считывают информацию с одинаковых дорожек разных дисков. Дорожки винчестера с одинаковыми порядковыми номерами, расположенные на разных дисках, называются цилиндром.

Электромеханическая система перемещения головок называется позиционером, и она внешне напоминает конструкцию звукоснимателя (тонарма) для грампластинок.

Вся конструкция винчестера заключается в герметичный корпус. Внутренняя полость винчестера заполняется очищенным от пыли воздухом, а внутри корпуса поддерживается атмосферное давление. При вращении дисков они создают сильный поток воздуха, который постоянно очищается фильтром. Система очистки воздуха позволяет удалить частицы пыли, диаметр которых более 0,3 мкм.

При включении питания и достижении некоторой критической скорости вращения шпинделя аэродинамическая подъемная сила воздуха становится достаточной для преодоления силы прижима головок к поверхности дисков. В результате головки поднимаются («всплывают») над поверхностями дисков на высоту от долей до единиц микрометра. С этого момента времени и до снижения скорости ниже критической головки «висят» на воздушной подушке и не касаются поверхностей дисков.

Во время работы винчестера постоянно работает система слежения за радиальным положением головок над дисками. Из непрерывно считываемого сигнала выделяется сигнал рассогласования, который подается на схему обратной связи. Если головки отклоняются от середины дорожки, то мгновенно возникает управляющий сигнал, стремящийся с помощью специальных устройств вернуть их на место.

Кроме несъемных винчестеров конструкторами разработаны накопители со сменными носителями. Эти конструкции позволяют извлечь диски из компьютера и, с целью сохранения конфиденциальности, унести их на ночь домой или положить в сейф. При разработке этого ВЗУ разработчикам пришлось решить сложную инженерную задачу: создать герметичный узел с жестким диском, который можно переносить в дипломате.

Еще одна оригинальная конструкторская идея заложена в накопитель Бернулли (Bernoulli). Воздушные потоки, возникающие вследствие вращения гибкого диска Бернулли, вызывают изгиб части поверхности диска, находящейся под головкой. Однако диск не соприкасается с головкой, и между ними остается небольшой, достаточно стабильный зазор, который обеспечивается потоками воздуха. Уравнения для описания подобных процессов, происходящих в газах, вывел швейцарский математик Даниил Бернулли (1700–1782).

Всякое нарушение нормальных условий работы накопителя Бернулли (например, появление загрязнения на поверхности диска) приводит к тому, что диск отклоняется от головки. Вращающийся диск практически не может соприкоснуться с головкой, благодаря чему накопитель обладает высокой стойкостью к износу. Использование рассмотренного явления значительно ослабляет проблему герметизации переносимых дисков.

Фирма Iomega выпустила накопитель Zip, который, возможно, станет основным накопителем на гибких дисках в ЭВМ следующего поколения. На сменных дисках накопителя Zip помещается 100 Мбайт информации. Сам носитель имеет гибкую основу и, по некоторым данным, частично использует эффект Бернулли.

Аналогичную задачу решают флоптические диски. Они выглядят так же, как и обычные 3,5-дюймовые магнитные диски, но позволяют записывать до 120 Мбайт информации. Во флоптических дисководах используется обычная магнитная запись, однако позиционирование головки осуществляется с помощью лазера.

Производительность диска зависит от следующих величин: времени доступа и скорости передачи данных.

Время доступа – это время, необходимое для позиционирования (перемещения) головок на соответствующую дорожку и ожидания нужного сектора.

Характерное среднее время перемещения головки между двумя случайно выбранными дорожками лежит в диапазоне 8...20 мс. Время перехода головок на соседнюю дорожку (можно сказать, на соседний цилиндр) значительно меньше и обычно составляет 2 мс. Чтобы нужный сектор повернулся до совмещения с головкой, требуется некоторое время. После этого данные могут быть записаны или считаны. Для современных дисков время их полного оборота лежит в пределах 8...16 мс, а среднее время ожидания сектора составляет 4—8 мс.

С помощью скорости передачи данных (трансфер) можно оценить время передачи последовательно расположенных данных из винчестера. Максимальное значение этой величины достигает 80 Мбайт/с.

Накопители на магнитной ленте в настоящее время используются для резервного копирования данных. Наиболее ценная информация с целью ее долговременного хранения записывается на магнитную пленку. Носителем информации служит лавсановая лента, на которую нанесено магнитное ферролаковое покрытие.

Стример относится к накопителям на магнитной ленте, в которых запись информации происходит на кассету с магнитной пленкой. Стример позволяет освободить место на винчестере за счет того, что на него переписывается редко используемые программы и данные. Порой в качестве стримера используют обычный видеомагнитофон. Для этого компьютер должен быть укомплектован специальной платой – «АрВид».

Наиболее популярными в настоящее время стали накопители НМЛ, использующие технологию спирального сканирования. В отличие от традиционных НМЛ со стационарными головками и продольной записью информации, эти устройства осуществляют чтение и запись данных на медленно двигающуюся магнитную ленту с помощью головок, размещаемых на быстро вращающемся барабане. При этом дорожки пересекают ленту с края на край и расположены под небольшим углом к направлению, перпендикулярному направлению движения ленты. Иногда эту технологию называют поперечной записью. На сегодняшний день подобные устройства дают наивысшую поверхностную плотность записи.

По способу организации записи и считывания оптические диски могут быть разделены на три класса: только для чтения (Read Only), с однократной записью и многократным считыванием (Write Once Read Many) и с многократной перезаписью информации (Erasable).

В основе записи информации с помощью лазера (рис. 9.5) лежит модуляция интенсивности излучения лазера дискретными значениями 0 и 1. Излучение достаточно мощного лазера оставляет на поверхности диска метки, вызванные воздействием луча на металл. Поверхность диска предварительно покрывается тонким слоем металла – теллура.

При записи логической единицы луч прожигает в пленке теллура микроскопическое отверстие. Если единицы следуют одна за другой, то за счет вращения диска во время записи отверстие оказывается вытянутым вдоль дорожки. Начинается запись с внутренних дорожек. Запись ведется с большой плотностью — 630 дорожек/мм. Длина всей спиральной дорожки около 5 км.

Таким способом изготавливается первичный мастер-диск, с которого затем производится тиражирование всей партии дисков методом литья под давлением. Полученные копии мастер-диска называют порой лазерными дисками, хотя более точное название – оптические диски.

Рис. 9.5. Запись информации на лазерный диск

При считывании информации с оптического диска луч считывающего лазера отражается от поверхности диска, кроме мест, выжженных записывающим лучом. Отраженные лучи с помощью оптической системы, состоящей из призм и линз, направляются на фотодетектор. Делитель луча отправляет отраженный луч по отдельной траектории к фотодетектору. Напряжение на выходе фотодетектора будет некоторым образом воспроизводить впадины и бугорки, имеющиеся на оптическом диске.

Технологии записи информации на перезаписываемые диски иные.

Рассмотрим одну из них.

Запись информации в магнитооптических накопителях осуществляется на диск из стекла, содержащий магнитный слой из сплава тербия, железа и кобальта. Этот сплав имеет низкую температуру Кюри (около 145°С). Напомним, что температура Кюри — это такая температура, при которой появляется возможность перемагнитить данный сплав. Свое название эта температура получила в честь известного физика Пьера Кюри.

С помощью лазера нагревают небольшой участок диска до температуры Кюри и прикладывают магнитное поле нужного направления. После остывания данный участок запоминает направление намагниченности.

Для считывания данных используют эффект Керра, который проявляется в изменении направления поляризации лазерного луча, отраженного от намагниченной поверхности.Проигрыватели (приводы) оптических дисков становятся самым распространенным внешним запоминающим устройством. Первые промышленные приводы обеспечивали скорость считывания 150 Кбайт/с. Выбор этой скорости объясняется тем, что аудиодиски считываются именно с этой скоростью. В дальнейшем появились устройства с 2-, 4-, …, 50-кратной скоростью передачи данных (по отношению к 150 Кбайт/c). Оптические диски позволяют записывать информацию с плотностью, которая на порядок превышает плотность записи на магнитный носитель.

Перспективны оптические диски с высокой плотностью записи DVD (Digital Video Disc). Информация на этих дисках может быть размещена на одной либо на обеих сторонах, в одном либо в двух слоях. Двухсторонние двухслойные диски позволяют хранить 17 Гбайт информации. Информация на эти диски записывается в стандарте MPEG.

Расстояние между слоями в двухслойных дисках 40 мкм. Переключение между слоями осуществляется фокусировкой лазера на требуемом расстоянии. Двухсторонние диски склеиваются из двух отдельных дисков толщиной 0,6 мм. Для доступа ко второй стороне диск необходимо переворачивать.

На один цифровой многофункциональный диск можно записать двухчасовой видеофильм с качеством, сравнимым с профессиональным телевизионным стандартом. Диски DVD позволяют воспроизвести звуковое сопровождение на одном из восьми языков, причем для каждого языка предусмотрена отдельная звуковая дорожка. Диск содержит 32 набора субтитров.

Электронная флэш-память позволяет переносить информацию с одной ЭВМ на другую. Флэш-память представляет собой микросхему, которая подключается к компьютеру через порт. Отсутствие механических деталей (а значит, высокая надежность), малые габариты и большие объемы памяти (несколько сотен мегабайт) делает этот вид памяти весьма популярным среди пользователей.

Контрольные вопросы и задания

1. Представьте классификацию видов запоминающих устройств.

2. Расскажите о запоминающих устройствах, памяти компьютера.

3. Назначение оперативной памяти ЭВМ.

4. Что понимается под памятью ЭВМ?

5. Какими параметрами быстродействия обладает память?

6. Чем определяется длительность цикла?

7. Расскажите о назначении и функциях ОЗУ.

8. Расскажите скорости доступа к памяти ОЗУ.

9. Что такое мультиплексирование?

10. Дайте определение статической памяти ЭВМ.

11. Что такое динамическая память ЭВМ?

12. Что такое внешнее запоминающее устройство (ВЗУ)?

13. Расскажите о носителях информации.

14. Что такое время доступа к памяти ВЗУ?

15. Расскажите о скорости передачи данных между ВЗУ и системной шиной.

16. Что такое системная шина ПК?

17. Расскажите о способах организации записи/считывания оптических дисков.

18. Расскажите об оптических дисках как носителях информации.

19. Расскажите о перспективах развития оптических носителей информации.

20. Что вы знаете о видах оптических носителей информации?

21. Способы воспроизведения звуков (виды синтезов).

10. Устройства ввода/вывода данных, их разновидности и основные характеристики