Внешняя память компьютера.
Основные виды внешней памяти.

Основное назначение внешней памяти компьютера – долговременное хранение большого количества различных файлов (программ, данных и т.д.). Устройство, которое обеспечивает запись/считывание информации, называется накопителем, а хранится информация на носителях. Наиболее распространенными являются накопители следующих типов:

• Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) двух различных типов, рассчитанные на диски диаметром 5,25” (емкость 1,2 Мб) и диски диаметром 3,5“(емкость 1,44 Мб);
• Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) информационной емкостью от 1 до десятков Гб;
• Накопители CD -ROM емкостью 640 Мб;
• Накопители DVD -ROM емкостью до 17 Гб.

Для пользователя имеют существенное значение некоторые показатели: информационная емкость, скорость обмена информацией, надежность ее хранения и т.д. (см. таблицу).

В основу записи, хранения и считывания информации положены два физических принципа, магнитный и оптический .

В НГМД и НЖМД используется магнитный принцип. При магнитном способе запись информации производится на магнитный носитель (диск, покрытый ферромагнитным лаком) с помощью магнитных головок.

В процессе записи головка с сердечником из магнитомягкого материала (малая остаточная намагниченность) перемещается вдоль магнитного слоя магнитожесткого носителя (большая остаточная намагниченность). Электрические импульсы создают в головке магнитное поле, которое последовательно намагничивает (1) или не намагничивает (0) элементы носителя.

При считывании информации намагниченные участки носителя вызывают в магнитной головке импульс тока (явление электромагнитной индукции).

Носители информации имеют форму диска и помещаются в конверт из плотной бумаги (5, 25”) или пластмассовый корпус (3,5”). В центре диска имеется отверстие (или приспособление для захвата) для обеспечения вращения диска в дисководе, которое производится с постоянной угловой скоростью 300 об/с.

В защитном конверте (корпусе) имеется продолговатое отверстие, через которое производится запись / считывание информации. На боковой кромке дискет (5,25”) находится маленький вырез, позволяющий производить запись, если вырез заклеить непрозрачной наклейкой, запись становится невозможной (диск защищен). В дискетах 3,5” защиту от записи обеспечивает предохранительная защелка в левом нижнем углу пластмассового корпуса.

Диск должен быть форматирован, т.е. должна быть создана физическая и логическая структура диска. В процессе форматирования на диске образуются концентрические дорожки, которые делятся на сектора, для этого головка дисковода расставляет в определенных местах диска метки дорожек и секторов.

Жесткие магнитные диски состоят из нескольких дисков, размещенных на одной оси и вращающихся с большой угловой скоростью (несколько тысяч оборотов в минуту), заключенных в металлический корпус. Большая информационная емкость жестких дисков достигается за счет увеличения количества дорожек на каждом диске до нескольких тысяч, а количества секторов на дорожке – до нескольких десятков. Большая угловая скорость вращения дисков позволяет достигать высокой скорости считывания / записи информации (более 5 Мб/с).

CD -ROM накопители используют оптический принцип чтения информации. Информация на CD -ROM диске записана на одну спиралевидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью. Лазерный луч падает на поверхность вращающегося CD -ROM -диска, интенсивность отраженного луча соответствует значениям 0 или 1. C помощью фотопреобразователя они преобразуются в последовательности электрических импульсов.

Скорость считывания информации в CD -ROM накопителе зависит от скорости вращения диска. Первые CD -ROM накопители были односкоростными и обеспечивали скорость считывания информации 150 Кб/с, в настоящее время все большее распространение получают 24-скоростные CD -ROM накопители, которые обеспечивают скорость считывания информации до 3,6 Мб/с.

Информационная емкость CD -ROM диска может достигать 640 Мб. Производятся CD -ROM диски либо путем штамповки (диски белого цвета), либо записываются (диски желтого цвета) на специальных устройствах, которые называются CD -recorder .

DVD -ROM диски (цифровые видео диски) имеют гораздо большую информационную емкость (до 17 Гбайт), т.к. информация может быть записана на двух сторонах, в два слоя на одной стороне, а сами дорожки имеют меньшую толщину.

Первое поколение DVD-ROM накопителей обеспечивало скорость считывания информации примерно 1,3 Мбайт/с. В настоящее время 5-скоростные DVD-ROM достигают скорости считывания до 6,8 Мбайт/с.

Существуют CD -R и DVD -R диски (R - recordable , записываемый), которые имеют золотистый цвет. Специальные CD-R и DVD-R дисководы обладают достаточно мощным лазером, который в процессе записи информации меняют отражающую способность участков поверхности записываемого диска. Информация на таких дисках может быть записана только один раз.

Существуют также CD -RW и DVD -RW диски (RW - Rewritable , перезаписываемый), которые имеют «платиновый» оттенок. Специальные CD-RW и DVD-RW дисководы в процессе записи информации также меняют отражающую способность отдельных участков поверхности дисков, однако информация на таких дисках может быть записана многократно. Перед перезаписью записанную информацию «стирают» путем нагревания участков поверхности диска с помощью лазера.

Внутренняя и внешняя память

Память ЭВМ содержит обрабатываемые данные и выполняемые программы, поступающие через устройства ввода-вывода. Память делится на 2 части – внутреннюю и внешнюю.

Внутренняя память – это запоминающее устройство, напрямую связанное с процессором и предназначенное для хранения выполняемых программ и данных, участвующих в вычислениях. Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый адресацией машины. Внутренняя память делится на оперативную и постоянную.

Внешняя память – предназначена для размещения больших объемов информации и обмена ею с оперативной памятью. Для внешней памяти используют энергонезависимые носители. Емкость внешней памяти практически не имеет ограничений, а для обращения к ней требуется больше времени, чем к внутренней.

Основной характеристикой модулей оперативной (внутренней ) памяти является малое время доступа к информации (считывания/записи данных).

Основной функцией внешней памяти ПК является способность долговременно хранить большой объем информации (на накопителях или дисководах).

Физические свойства :

Внутренняя память

– электронная (полупроводниковая) память, устанавливаемая на системной материнской плате или на платах расширения. Это память, построенная на электронных элементах (микросхемах), которая хранит информацию только при наличии электропитания (т.е. энергозависима);

– быстрая память (чтение и запись происходят быстро);

– небольшая по объему (по сравнению с внешней памятью).

Внешняя память

– память, реализованная в виде устройств с различными типами хранения информации и обычно с подвижными носителями;

– энергонезависима;

– медленная (по сравнению с оперативной);

– объем гораздо больше.

Информационная структура внутренней памяти – биты-байты. Во внешней памяти все программы и данные хранятся в виде файлов.

Виды внутренней памяти:

По способам хранения информации внутренняя память делится на несколько видов:

1. ОЗУ (Оперативная память) – см. ниже.

2. ПЗУ (BIOS) – см. ниже.

3. ППЗУ (Flash) – перепрограммируемое запоминающее устройство, способное длительно хранить информацию. Конструкция как у ПЗУ, только можно перепрограммировать. Применяется в CMOS, сотовых телефонах, пейджерах и т.п. Эта память энергонезависима.

1. Оперативная память (ОЗУ, RAM)

Этот уровень памяти подобен кратковременной памяти человека. В оперативке на стадии выполнения могут одновременно находится несколько программ. Кроме того, в оперативке могут находиться как обрабатываемые, так и уже обработанные программой данные. По объему оперативная память составляет большую часть внутренней памяти. Объем установленной в компьютере оперативки определяет, с каким программным обеспечением можно на нем работать. При недостаточном объеме оперативки многие программы либо не будут работать совсем, либо будут работать очень медленно.

Оперативная память – это последовательность специальных электронных ячеек, каждая из которых может хранить конкретную комбинацию из нулей и единиц – один байт. Эти ячейки нумеруются порядковыми номерами, начиная с нуля. Номер ячейки называется адресом того байта, который записан в ней в данный момент. Адрес физической ячейки – всегда один и тот же, а содержимое может меняться от 0 до 255 (в десятичном представлении). Содержимое каждого байта памяти может обрабатываться независимым от остальных байтов образом. Указав адрес байта, можно прочитать код, который в нем записан или записать в этот байт другой код. Поэтому оперативку называют еще памятью с прямым или произвольным доступом и обозначают RAM (ОЗУ – оперативное запоминающее устройство). Максимально возможный объем оперативки, который называется адресным пространством, и объем памяти, фактически присутствующий в ЭВМ являются важнейшими характеристиками компьютера в целом. Стандартным для современных компьютеров общего назначения считается объем оперативки 32 – 64 Мб, а во многих случаях рекомендуется 128 – 256 Мб. Последние на сегодняшний день модели компьютеров имеют теоретический предел оперативки 64 Гб.

Особенностью ОЗУ является способность хранить информацию только во время работы машины. Когда вы включаете компьютер, в оперативную память заносятся цепочки байтов, в которых хранится ОС. Далее, туда заносятся различные прикладные программы и данные. Содержимое многих ячеек памяти постоянно изменяется в процессе работы программ. Оперативная память – это черновик, где временно записываются программы, данные и результаты обработки. После загрузки новой программы, прежнее содержимое ОЗУ замещается новым, а после выключения компьютера пропадает вовсе, т.е. оперативная память энергозависима . Особенностью оперативки также является высокая стоимость.

Физически оперативная память выполняется в виде плат, на которых размещаются микросхемы. Плата – прямоугольная пластина стандартных размеров из специального материала, на которой размещаются разъемы для крепления микросхем, а также выполняется монтаж электронных схем питания микросхем и их подсоединения к остальным компонентам компьютера. При наращивании, расширении оперативки приходится учитывать тип уже установленных модулей.

Разновидности ОЗУ:

Современные полупроводниковые микросхемы ОЗУ бывают двух видов: статические и динамические .

Базовым элементом статической памяти служит триггер . Одно из его устойчивых состояний принято за логический 0, другое – за 1. При отсутствии внешних воздействий эти состояния могут храниться сколь угодно долго.

Динамические элементы памяти этим свойством не обладают. Они представляют собой конденсатор, который в заряженном состоянии соответствует 1, в разряженном – 0. Существенным недостатком является наличие постепенного самопроизвольного разряда, что ведет к потере информации. Чтобы этого не происходило, конденсатор надо периодически подзаряжать. Этот процесс называется регенерацией ОЗУ .

Статическая память гораздо проще в эксплуатации, т.к. не требует регенерации и приближается по скорости к быстродействию процессора. Зато статическая память имеет меньший информационный объем, большую стоимость и сильнее нагревается при работе.

Никакой из этих видов ОЗУ не является идеальным.

Управление оперативной памятью. Память состоит из отдельных элементов, каждый из которых предназначен, для хранения минимальной единицы информации – одного байта. Каждому элементу соответствует уникальный числовой адрес. Первому элементу присвоен адрес 0, второму – 1 и т.д, включая последний элемент, адрес которого определяется общим количеством элементов памяти минус единица. Обычно адрес задается шестнадцатеричным.

Сегменты. Процессор компьютера делит память на блоки, называемые сегментами. Каждый сегмент занимает 64 Кбайт и каждому сегменту соответствует уникальный числовой адрес. Процессор имеет четыре регистра сегмента.

Регистр – это участок сверхоперативной памяти процессора, предназначенной для хранения информации. Процессор использует регистры при выполнении расчетов и сохранении промежуточных результатов. После завершения действий результат должен быть переписан из регистра в ячейки ОЗУ. Регистры сегмента предназначены для хранения адресов отдельных сегментов. Они называются CS (сегмент кода), DS (сегмент данных), SS (сегмент стека) и ES (запасной сегмент). Кроме указанных, процессор имеет еще 9 регистров, а именно – регистры IP (указатель команды) и SP (указатель стека).

Доступ к памяти. Доступ к ячейкам памяти осуществляется посредством соединения содержимого регистра сегмента с содержи­мым того или другого регистра. Таким образом определяется адрес требуемого участка памяти.

2. Постоянная память (ПЗУ, ROM)

Отличается тем, что запись информации в ПЗУ осуществляется только 1 раз на заводе-изготовителе. И в дальнейшем из этой памяти возможно только чтение. Эта память энергонезависима, т.е. при выключении компьютера содержимое памяти не исчезает. Используется для хранения наиболее важных и часто используемых служебных программ, присутствие которых постоянно нужно компьютеру. Обычно это компоненты ОС (программа первоначальной загрузки), программы контроля оборудования.

Базовая система ввода-вывода (Base Input Output System), находящаяся в постоянной памяти (ПЗУ) компьютера содержит программы для проверки оборудования ПК, программы для считывания и передачи управления операционной системе и программы для выполнения базовых (низкоуровневых) операций ввода-вывода с монитором, клавиатурой, дисками и принтером. BIOS играет роль своеобразного толкователя приказов программ для аппаратуры. Программы пользователя и ОС выдают такие приказы, а BIOS доводит их до сведения аппаратуры в виде, понятном ей.

Другие виды внутренней памяти:

4. Кэш-память

Для ускорения доступа к оперативной памяти на быстродействующих компьютерах используется специальная сверхоперативная кэш-память, которая располагается между процессором и оперативкой и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативки. При обращении процессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти, поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к оперативке. Объем кэш-памяти 128-512 Кб. По структуре и принципу работы не отличается от оперативки, но скорость передачи данных значительно выше. Стоит дороже оперативки. В современных машинах предусматривается несколько уровней кэш-памяти. Кэш-память – это статическая память, которая служит для ускорения доступа к медленной динамической памяти.

5. CMOS-RAM – участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Называется так в связи с тем, что эта память выполняется по технологии CMOS, обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS-памяти не изменяется при выключении электропитания компьютера. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера (SETUP). Она позволяет установить некоторые характеристики устройств компьютера, пароль и т.п. Программа настройки вызывается, если при начальной загрузке компьютера нажать Del.

6. Видеопамять – память, используемая для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера – электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран монитора.

Карта памяти DOS:

Расширенная память – вся память выше 1024 Кб (1Мб). Она делится на две области: HMA (область высокой памяти, объем равен 64Кб) и дополнительная память XMS. XMS память используют только некоторые утилиты MS-DOS, такие как smartdrive и ramdrive. Для работы с этой памятью нужен специальный драйвер himem.sys.

Отображаемая память (EMS) – память, адресуемая микропроцессорами по спецификации EMS. Для инициализации отображаемой памяти нужен специальный драйвер. До его загрузки ПК не "узнает" об установленной плате расширенной памяти. Драйвер EMS отводит определенную часть верхней памяти для того, чтобы поочередно отображать в нее требуемые участки расширенной памяти. Каждый участок расширенной памяти, отображаемый в данный момент, называется страницей, а "окно" в области UMB, через которое микропроцессор просматривает содержимое страниц расширенной памяти – страничным блоком.

Расширяемая память является результатом появления в среде MS-DOS устойчивых традиций использования страничной памяти. При этом подходе большой раздел памяти, который лежит вне адресного пространства процессора, "отображается" малыми областями на многие маленькие разделы памяти, лежащие внутри адресного пространства процессора. В то время как процессор не может адресовать большой раздел памяти непосредственно, он может выбрать или дойти до любой конкретной части, подобно выбору страницы в книге.

В спецификации расширяемой памяти MS-DOS или EMS большая физическая память отображается в 16-килобайтные разделы памяти MS-DOS, называемые страницами. Соответствующее 16-килобайтное адресное пространство в памяти MS-DOS называется страничным блоком. Количество поддерживаемых страничных блоков и размещение их внутри системы MS-DOS изменяется в зависимости от типа платы используемой расширяемой памяти, и существующей конфигурации системы.

Himem.sys

Обеспечивает стандарт XMS для доступа к верхней памяти. Для того, чтобы установить этот драйвер достаточно команды в config.sys: device = c:\путь\himem.sys. DOS = HIGH устанавливают вместе с himem.sys для загрузки ядра MS-DOS в область высокой памяти.

Emm386.exe

Драйвер – диспетчер отображаемой памяти. Он выполняет две основные функции: 1) использует память XMS поставляемую himem.sys для работы отображаемой памяти. 2) обеспечивает программам DOS доступ к страшим адресам памяти UMB.

Для того чтобы загрузить драйвер emm386 достаточно поместить в config.sys 2 команды:

device = c:\путь\himem.sys и device = c:\путь\emm386.exe ram.

Без первой команды вторая работать не будет. Параметр RAM указывает сегментные адреса блоков UMB. Если RAM без адресов, то emm самостоятельно определит адреса для UMB и страничный блок EMS.

Внешняя память

Внешняя память – место длительного хранения данных, не используемых в данный момент в оперативке. Этот уровень памяти похож на вспомогательные средства, используемые человеком для долговременного хранения важных сведений (записные книжки, справочники, фотоальбомы, звуко- и видеозаписи). Эти носители информации считаются внешними по отношению к внутренней памяти человека.

Внешней памятью называется группа устройств, которые предназначены для долговременного хранения больших массивов информации – программ и данных. Во внешней памяти данные могут храниться годами, пока не потребуются.

Программа, находящаяся во внешней памяти, не может в ней выполняться , а данные не могут быть обработаны. В этом и состоит главное отличие внешней памяти от оперативки. Во внешней памяти программы и данные хранятся в «нерабочем состоянии», в оперативной – программы и данные хранятся только во время выполнения. Для того, чтобы выполнить программу с внешней памяти, ее сначала нужно найти на внешнем устройстве и перенести в оперативную память, где она сможет выполниться.

Перенос программы из внешней памяти в оперативную называется загрузкой программы , а инициирование (начало) ее выполнения называют запуском программы .

Важной особенностью внешней памяти является ее энергонезависимость. Кроме того, внешняя память гораздо меньше стоит и имеет значительно больший объем по сравнению с оперативной. Зато скорость передачи данных с внешними запоминающими устройствами значительно меньше.

Необходимость во внешних устройствах хранения данных возникает в двух случаях:

Когда на вычислительной машине обрабатывается больше данных, чем можно разместить на базовом жестком диске;

Когда данные имеют повышенную ценность и нужно выполнять регулярное резервное копирование на внешнее устройство.

Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя (устройства обеспечивающего считывание и запись информации) и носителя (устройства хранения информации).

Внешние запоминающие устройства по принципам функционирования разделяются на устройства прямого доступа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последовательного доступа (накопители на магнитных лентах).

В настоящее время в качестве внешней памяти в основном используются гибкие магнитные, жесткие магнитные, оптические и магнитооптические диски . Использование магнитных лент стремительно устаревает.

Основные накопители и носители:

Основной функцией внешней памяти является способность долговременно хранить информацию. Кроме этого внешняя память имеет большой объем и дешевле оперативной. И еще, носители внешней памяти обеспечивают перенос информации с одного компьютера на другой, что важно в ситуации, когда отсутствуют компьютерные сети.

Таким образом, внешняя (долговременная) память - это место длительного хранения данных (программ, результатов расчетов, текстов и т.д.), не используемых в данный момент в оперативной памяти компьютера. Внешняя память, в отличие от оперативной, является энергонезависимой, и не име­ет прямой связи с процессором.

Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя (устройства, обеспечивающего запись и (или) считывание информации) и устройства хранения - носителя.

Основные виды накопителей:

накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

накопители CD-ROM, CD-RW, DVD. Им соответствуют основные виды носителей:

гибкие магнитные диски (Floppy Disk);

жесткие магнитные диски (Hard Disk);

диски CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD. Основные характеристики накопителей и носителей:

информационная емкость;

скорость обмена информацией;

надежность хранения информации;

В основу записи, хранения и считывания информации из внешней памяти положены два принципа - магнитный и оптический. Благодаря этим принципам обеспечивается сохранение информации и после выключения компьютера.

Гибкий диск

Накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy disk) или дискета- носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения.

Диск находится внутри пластикового конверта, который защищает его от механических повреждений. Они могут быть повреждены, если:

дотрагиваться до записывающей поверхности;

писать на этикетке дискеты карандашом или шариковой ручкой;

сгибать дискету;

перегревать дискету (оставлять на солнце или около батареи отопле­ния);

подвергать дискету воздействию магнитных полей

Диск внутри дисковода вращается с постоянной угловой скоростью, которая является достаточно низкой (несколько килобайт в секунду, среднее время доступа - 250 мс). Запись информации происходит на обе стороны диска. В настоящее время наиболее распространенными являются дискеты размером 3,5 дюйма (1 дюйм = 2,54 см) и емкостью 1,44 Мбайта. Диск можно защитить от записи. Для этого используется предохранитель­ная защелка. Дискеты требуют аккуратного обращения.

Жесткий магнитный диск

Жесткий диск является информационным

складом ЭВМ и способен хранить

огромные объемы информации.

Накопитель на жестких магнитных

дисках (англ. HDD - Hard Disk Driver )

или винчес тер - это наиболее массовое Рис.2. Жесткий магнитный диск

запоминающее, устройство большой емкости, в котором носителями информации являются алюминиевые пластины, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения программ и данных. Диски винчестера помещены на одну ось и вместе с головками чтения/записи и несущими их головками помещены в герметически закрытый металлический корпус. Такая конструкция позволила существенно увеличить скорость вращения дисков и плотность записи. Запись информации происходит на обе поверхности дисков

В отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно. Пластины в жёстком диске вращаются с определённой скоростью (ещё её называют скоростью вращения шпинделя), которая может составлять 3 600, 4 200, 5 400, 7 200, 10 000 или 15 000 об/мин

Поэтому скорость его вращения может быть от 3600 до 10000 об/мин, время поиска данных – от 2 до 6 мс, скорость передачи данных - до 300 Мбайт/ сек. Емкость винчестеров в компьютерах измеряется десятками ги­габайтов. Наиболее распространены накопители с диаметром 0.8, 1, 1.8, 2.2 дюймов.

В целях сохранения информации и работоспособности винчестер необ­ходимо уберегать от ударов и резких изменений пространственной ориен­тации в процессе работы.

Лазерный диск

CD - ROM (англ. Compact Disk Real Only Memory - постоянное запоминаю­ щее устройство на основе компакт диска)

Компакт-диск диаметром 120 мм (около 4,75 дюймов) изготовлен из по­лимера и покрыт металлической пленкой. Информация считывается имен­но с этой металлической пленки, которая покрывается полимером, защищающим данные от повреждения. CD-ROM является односторонним но­сителем информации.

Принцип цифровой записи информации на лазерный диск отличается от принципа магнитной записи. Закодированная информация наносится на диск лазерным лучом, который создает на поверхности микроскопические впадины, разделяемые плоскими участками. Цифровая информация пред­ставляется чередованием впадин (кодирование нуля) и отражающих свет островков (кодирование единицы). Информация, нанесенная на диск, не может быть изменена.

Доступ к данным на CD-ROM осуществляется быстрее, чем к данным на дискетах, но медленнее, чем на жестких дисках (от 150 до 400 мс при скорости вращения до 4500 об/мин). Скорость передачи данных составляет не менее 150 Кбайт и доходит до 1,2 Мбайта/с. Емкость CD-ROM достигает 780 Мбайт, благодаря чему на них обычно выпускаются мультимедийные программы.

CD-ROM просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, с них невозможно случайно стереть информацию.

CD-R (Compact Disk Recorder)

CD-R является записываемым диском емкостью в среднем Емкость: 700 МБ (80 минут) . На дисках CD-R отражающий слой выполнен из золотой пленки. Между этим слоем и основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные впадинам. Накопители CD-R, благодаря сильному удешевлению, приобретают все большее распространение.

CD-RW (Compact Disk Rewritable)

Более популярными являются накопители CD-RW, которые позволяют записывать и перезаписывать информацию. Дисковод CD-RW позволяет записывать и читать диски CD-R и CD-RW, читать диски CD-ROM, т.е. яв­ляется в определенном смысле универсальными.

Аббревиатура DVD расшифровывается как Digital Versatile Disk , т.е. уни­ версальный цифровой диск. Имея те же габариты, что обычный компакт-диск, и весьма похожий принцип работы, он вмещает чрезвычайно много информации - от 4,7 до 17 Гбайт. Возможно, именно из-за большой ем­кости он и называется универсальным. Правда, на сегодня реально при­меняется DVD-диск лишь в двух областях: для хранения видеофильмов (DVD-Video или просто DVD) и сверхбольших баз данных (DVD-ROM, DVD-R).

Разброс емкостей возникает так: в отличие от CD-ROM, диски DVD записываются с обеих сторон. Более того, с каждой стороны могут быть нанесены один или два слоя информации. Таким образом, односторонние однослойные диски имеют объем 4,7 Гбайт (их часто называют DVD-5, т.е. диски емкостью около 5 Гбайт), двусторонние однослойные - 9,4 Гбайт (DVD-10), односторонние двухслойные - 8,5 Гбайт (DVD-9), а двусторонние двухслойные - 17 Гбайт (DVD-18).

В целях сохранности информации лазерные диски необходимо предохранять от механических повреждений (царапин), а также от загрязнения.

Flash -память

Flash -память - это энергозависимый тип памяти, позволяющий записывать и хранить данные в микросхемах. Карты flash-памяти не имеют в своем составе движущихся частей, что обеспечивает высокую сохранность данных при их использовании в мобильных устройствах

(портативных компьютерах, цифровых камерах и др.)

Flash-память представляет собой микросхему, помещенную в миниатюрный плоский корпус. Для считывания или записи информации карта памяти вставляется в специальные накопители, встроенные в мобильные устройства или подключаемые к компьютеру через USB-порт. Информационная емкость карт памяти различна, она может достигать от 512 Мбайт до 4 Гбайт, 8 Гбайт, 16 Гбайт, 32 Гбайт, 48 Гбайт, Компания Transcend обновила популярную серию USB флэш накопителей JetFlash V20, выпустив новую модель емкостью 64 ГБ.

К недостаткам flash-памяти следует отнести то, что не существует единого стандарта и различные производители изготавливают несовместимые друг с другом по размерам и электрическим параметрам карты памяти.

Внешняя (долговременная) память

Основной функцией внешней памяти компьютера является способность долговременно хранить большой объем информации (программы, документы, аудио- и видеоклипы и пр.). Устройство, которое обеспечивает запись/считывание информации, называется накопителем , или дисководом , а хранится информация на носителях (например, дискетах).

Магнитный принцип записи и считывания информации. В накопителях на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопителях на жестких магнитных дисках (НЖМД), или винчестерах, в основу записи информации положено намагничивание ферромагнетиков в магнитном поле, хранение информации основывается на сохранении намагниченности, а считывание информации базируется на явлении электромагнитной индукции.

В процессе записи информации на гибкие и жесткие магнитные диски головка дисковода с сердечником из магнито-мягкого материала (малая остаточная намагниченность) перемещается вдоль магнитного слоя магнитожесткого носителя (большая остаточная намагниченность). На магнитную головку поступают последовательности электрических импульсов (последовательности логических единиц и нулей), которые создают в головке магнитное поле. В результате последовательно намагничиваются (логическая единица) или не намагничиваются (логический нуль) элементы поверхности носителя.

В отсутствие сильных магнитных полей и высоких температур элементы носителя могут сохранять свою намагниченность в течение долгого времени (лет и десятилетий).

При считывании информации при движении магнитной головки над поверхностью носителя намагниченные участки носителя вызывают в ней импульсы тока (явление электромагнитной индукции). Последовательности таких импульсов передаются по магистрали в оперативную память компьютера.

Гибкие магнитные диски. Гибкие магнитные диски помещаются в пластмассовый корпус. Такой носитель информации называется дискетой. В центре дискеты имеется приспособление для захвата и обеспечения вращения диска внутри пластмассового корпуса. Дискета вставляется в дисковод, который вращает диск с постоянной угловой скоростью.

При этом магнитная головка дисковода устанавливается на определенную концентрическую дорожку диска, на которую и производится запись или с которой производится считывание информации. Информационная емкость дискеты невелика и составляет всего 1,44 Мбайт. Скорость записи и считывания информации также мала (составляет всего около 50 Кбайт/с) из-за медленного вращения диска (360 об. /мин).

В целях сохранения информации гибкие магнитные диски необходимо предохранять от воздействия сильных магнитных полей и нагревания, так как такие физические воздействия могут привести к размагничиванию носителя и потере информации.

Жесткие магнитные диски. Жесткий магнитный диск представляет собой несколько десятков дисков, размещенных на одной оси, заключенных в металлический корпус и вращающихся с большой угловой скоростью (рис. 4.6).

За счет гораздо большего количества дорожек на каждой стороне дисков и большого количества дисков информационная емкость жесткого диска может в сотни тысяч раз превышать информационную емкость дискеты и достигать 150 Гбайт. Скорость записи и считывания информации с жестких дисков достаточно велика (может достигать 133 Мбайт/с) за счет быстрого вращения дисков (до 7200 об./мин).

Рис. 4.6. Жесткий магнитный диск

В жестких дисках используются достаточно хрупкие и миниатюрные элементы (пластины носителей, магнитные головки и пр.), поэтому в целях сохранения информации и работоспособности жесткие диски необходимо оберегать от ударов и резких изменений пространственной ориентации в процессе работы.

Оптический принцип записи и считывания информации. В лазерных дисководах CD-ROM и DVD-ROM используется оптический принцип записи и считывания информации.

В процессе записи информации на лазерные диски для создания участков поверхности с различными коэффициентами отражения применяются различные технологии: от простой штамповки до изменения отражающей способности участков поверхности диска с помощью мощного лазера. Информация на лазерном диске записывается на одну спиралевидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью.

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

В процессе считывания информации с лазерных дисков луч лазера, установленного в дисководе, падает на поверхность вращающегося диска и отражается. Так как поверхность лазерного 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 и по магистрали передаются в оперативную память.

Лазерные дисководы и диски. Лазерные дисководы (CD-ROM и DVD-ROM - рис. 4.7) используют оптический принцип чтения информации.

На лазерных CD-ROM (CD - Compact Disk, компакт-диск) и DVD-ROM (DVD - Digital Video Disk, цифровой видеодиск) дисках хранится информация, которая была записана на них в процессе изготовления. Запись на них новой информации невозможна, что отражено во второй части их названий: ROM (Read Only Memory - только чтение). Производятся такие диски путем штамповки и имеют серебристый цвет.

Информационная емкость CD-ROM диска может достигать 650 Мбайт, а скорость считывания информации в CD-ROM-накопителе зависит от скорости вращения диска. Первые CD-ROM-накопители были односкоростными и обеспечивали скорость считывания информации 150 Кбайт/с. В настоящее время широкое распространение получили 52-скоростные CD-ROM-накопители, которые обеспечивают в 52 раза большую скорость считывания информации (до 7,8 Мбайт/с).

DVD-диски имеют гораздо большую информационную емкость (до 17 Гбайт) по сравнению CD-дисками. Во-первых, используются лазеры с меньшей длиной волны, что позволяет размещать оптические дорожки более плотно. Во-вторых, информация на DVD-дисках может быть записана на двух сторонах, причем в два слоя на одной стороне.

Рис. 4.7. CD-ROM и DVD-ROM

Первое поколение DVD-ROM-накопителей обеспечивало скорость считывания информации примерно 1,3 Мбайт/с. В настоящее время 16-скоростные DVD-ROM-дисководы достигают скорости считывания до 21 Мбайт/с.

Существуют CD-R и DVD-R-диски (R - recordable, записываемый), которые имеют золотистый цвет. Информация на такие диски может быть записана, но только один раз. На дисках CD-RW и DVD-RW (RW - ReWntable, перезаписываемый), которые имеют "платиновый" оттенок, информация может быть записана многократно.

Для записи и перезаписи на диски используются специальные CD-RW и DVD-RW-дисководы, которые обладают достаточно мощным лазером, позволяющим менять отражающую способность участков поверхности в процессе записи диска. Такие дисководы позволяют записывать и считывать информацию с дисков с различной скоростью. Например, маркировка CD-RW-дисковода "40x12x48" означает, что запись CD-R-дисков производится на 40-кратной скорости, запись CD-RW-дисков - на 12-кратной, а чтение - на 48-кратной скорости.

Flash-память. Flash-память - это энергонезависимый тип памяти, позволяющий записывать и хранить данные в микросхемах. Карты flash-памяти (рис. 1.8) не имеют в своем составе движущихся частей, что обеспечивает высокую сохранность данных при их использовании в мобильных устройствах (портативных компьютерах, цифровых камерах и др.).

Рис. 4.8. Карты flash-памяти

Flash-память представляет собой микросхему, помещенную в миниатюрный плоский корпус. Для считывания или записи информации карта памяти вставляется в специальные накопители, встроенные в мобильные устройства или подключаемые к компьютеру через USB-порт. Информационная емкость карт памяти может достигать 512 Мбайт.

К недостаткам flash-памяти следует отнести то, что не существует единого стандарта и различные производители изготавливают несовместимые друг с другом по размерам и электрическим параметрам карты памяти.

Вопросы для размышления

1. Каковы основные правила хранения и эксплуатации различных типов носителей информации?

Практические задания

4.4. Составить сравнительную таблицу основных параметров устройств хранения информации (емкость, скорость обмена, надежность хранения информации, цена хранения одного мегабайта).

Носители информации (гибкие диски, жесткие диски, диски CD-ROM, магнитооптические диски и пр.) и их основные характеристики.

Внешняя (долговременная) память - это место длительного хранения данных (программ, результатов расчётов, текстов и т.д.), не используемых в данный момент в оперативной памяти компьютера. Внешняя память, в отличие от оперативной, является энергонезависимой. Носители внешней памяти, кроме того, обеспечивают транспортировку данных в тех случаях, когда компьютеры не объединены в сети (локальные или глобальные).

Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя (устройства, обеспечивающего запись и (или) считывание информации) и устройства хранения - носителя.

Основные виды накопителей:

накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

накопители на магнитной ленте (НМЛ);

накопители CD-ROM, CD-RW, DVD.

Им соответствуют основные виды носителей:

гибкие магнитные диски (Floppy Disk) (диаметром 3,5’’ и ёмкостью 1,44 Мб; диаметром 5,25’’ и ёмкостью 1,2 Мб (в настоящее время устарели и практически не используются, выпуск накопителей, предназначенных для дисков диаметром 5,25’’, тоже прекращён)), диски для сменных носителей;

жёсткие магнитные диски (Hard Disk);

кассеты для стримеров и других НМЛ;

диски CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD.

Запоминающие устройства принято делить на виды и категории в связи с их принципами функционирования, эксплуатационно-техническими, физическими, программными и др. характеристиками. Так, например, по принципам функционирования различают следующие виды устройств: электронные, магнитные, оптические и смешанные – магнитооптические. Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения/воспроизведения/записи цифровой информации. Поэтому, в связи с видом и техническим исполнением носителя информации, различают: электронные, дисковые и ленточные устройства.

Основные характеристики накопителей и носителей:

информационная ёмкость;

скорость обмена информацией;

надёжность хранения информации;

стоимость.

Остановимся подробнее на рассмотрении вышеперечисленных накопителей и носителей.

Принцип работы магнитных запоминающих устройств основан на способах хранения информации с использованием магнитных свойств материалов. Как правило, магнитные запоминающие устройства состоят из собственно устройств чтения/записи информации и магнитного носителя, на который, непосредственно осуществляется запись и с которого считывается информация. Магнитные запоминающие устройства принято делить на виды в связи с исполнением, физико-техническими характеристиками носителя информации и т.д. Наиболее часто различают: дисковые и ленточные устройства. Общая технология магнитных запоминающих устройств состоит в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя и считывания информации, закодированной как области переменной намагниченности. Дисковые носители, как правило, намагничиваются вдоль концентрических полей – дорожек, расположенных по всей плоскости дискоидального вращающегося носителя. Запись производится в цифровом коде. Намагничивание достигается за счет создания переменного магнитного поля при помощи головок чтения/записи. Головки представляют собой два или более магнитных управляемых контура с сердечниками, на обмотки которых подается переменное напряжение. Изменение величины напряжения вызывает изменение направления линий магнитной индукции магнитного поля и, при намагничивании носителя, означает смену значения бита информации с 1 на 0 или с 0 на 1.

Дисковые устройства делят на гибкие (Floppy Disk) и жесткие (Hard Disk) накопители и носители. Основным свойством дисковых магнитных устройств является запись информации на носитель на концентрические замкнутые дорожки с использованием физического и логического цифрового кодирования информации. Плоский дисковый носитель вращается в процессе чтения/записи, чем и обеспечивается обслуживание всей концентрической дорожки, чтение и запись осуществляется при помощи магнитных головок чтения/записи, которые позиционируют по радиусу носителя с одной дорожки на другую.

Для операционной системы данные на дисках организованы в дорожки и секторы. Дорожки (40 или 80) представляют собой узкие концентрические кольца на диске. Каждая дорожка разделена на части, называемые секторами. При чтении или записи устройство всегда считывает или записывает целое число секторов независимо от объёма запрашиваемой информации. Размер сектора на дискете равен 512 байт. Цилиндр - это общее количество дорожек, с которых можно считать информацию, не перемещая головок. Поскольку гибкий диск имеет только две стороны, а дисковод для гибких дисков - только две головки, в гибком диске на один цилиндр приходится две дорожки. В жестком диске может быть много дисковых пластин, каждая из которых имеет две (или больше) головки, поэтому одному цилиндру соответствует множество дорожек. Кластер (или ячейка размещения данных) - наименьшая область диска, которую операционная система использует при записи файла. Обычно кластер - один или несколько секторов.

Перед использованием дискета должна быть форматирована, т.е. должна быть создана её логическая и физическая структура.

Дискеты требуют аккуратного обращения. Они могут быть повреждены, если

дотрагиваться до записывающей поверхности;

писать на этикетке дискеты карандашом или шариковой ручкой;

сгибать дискету;

перегревать дискету (оставлять на солнце или около батареи отопления);

подвергать дискету воздействию магнитных полей.

Накопители на жестких дисках объединяют в одном корпусе носитель (носители) и устройство чтения/записи, а также, нередко, и интерфейсную часть, называемую контроллером жесткого диска. Типичной конструкцией жесткого диска является исполнение в виде одного устройства - камеры, внутри которой находится один или более дисковых носителей, помещённых на один ось, и блок головок чтения/записи с их общим приводящим механизмом. Обычно, рядом с камерой носителей и головок располагаются схемы управления головками, дисками и, часто, интерфейсная часть и (или) контроллер. На интерфейсной карте устройства располагается собственно интерфейс дискового устройства, а контроллер с его интерфейсом располагается на самом устройстве. С интерфейсным адаптером схемы накопителя соединяются при помощи комплекта шлейфов.

Принцип функционирования жёстких дисков аналогичен этому принципу для ГМД.

Основные физические и логические параметры ЖД.

Диаметр дисков. Наиболее распространены накопители с диаметром дисков 2.2, 2.3, 3.14 и 5.25 дюймов.

Число поверхностей - определяет количество физических дисков, нанизанных на ось.

Число цилиндров - определяет, сколько дорожек будет располагаться на одной поверхности.

Число секторов - общее число секторов на всех дорожках всех поверхностей накопителя.

Число секторов на дорожке - общее число секторов на одной дорожке. Для современных накопителей показатель условный, т.к. они имеют неравное число секторов на внешних и внутренних дорожках, скрытое от системы и пользователя интерфейсом устройства.

Время перехода от одной дорожки к другой обычно составляет от 3.5 до 5 миллисекунд, а у самых быстрых моделей может быть от 0.6 до 1 миллисекунды. Этот показатель является одним из определяющих быстродействие накопителя, т.к. именно переход с дорожки на дорожку является самым длительным процессом в серии процессов произвольного чтения/записи на дисковом устройстве.

Время установки или время поиска - время, затрачиваемое устройством на перемещение головок чтения/записи к нужному цилиндру из произвольного положения.

Скорость передачи данных, называемая также пропускной способностью, определяет скорость, с которой данные считываются или записываются на диск после того, как головки займут необходимое положение. Измеряется в мегабайтах в секунду (MBps) или мегабитах в секунду (Mbps) и является характеристикой контроллера и интерфейса.

В настоящее время используются в основном жёсткие диски ёмкостью от 10 Гб до 80 Гб. Наиболее популярными являются диски ёмкостью 20, 30, 40 Гб.

Кроме НГМД и НГМД довольно часто используют сменные носители. Довольно популярным накопителем является Zip. Он выпускается в виде встроенных или автономных блоков, подключаемых к параллельному порту. Эти накопители могут хранить 100 и 250 Мб данных на картриджах, напоминающих дискету формата 3,5’’, обеспечивают время доступа, равное 29 мс, и скорость передачи данных до 1 Мб/с. Если устройство подключается к системе через параллельный порт, то скорость передачи данных ограничена скорость параллельного порта.

К типу накопителей на сменных жёстких дисках относится накопитель Jaz. Ёмкость используемого картриджа - 1 или 2 Гб. Недостаток - высокая стоимость картриджа. Основное применение - резервное копирование данных.

В накопителях на магнитных лентах (чаще всего в качестве таких устройств выступают стримеры) запись производится на мини-кассеты. Ёмкость таких кассет - от 40 Мб до 13 Гб, скорость передачи данных - от 2 до 9 Мб в минуту, длина ленты - от 63,5 до 230 м, количество дорожек - от 20 до 144.

CD-ROM - это оптический носитель информации, предназначенный только для чтения, на котором может храниться до 650 Мб данных. Доступ к данным на CD-ROM осуществляется быстрее, чем к данным на дискетах, но медленнее, чем на жёстких дисках.

Компакт-диск диаметром 120 мм (около 4,75’’) изготовлен из полимера и покрыт металлической плёнкой. Информация считывается именно с этой металлической плёнки, которая покрывается полимером, защищающим данные от повреждения. CD-ROM является односторонним носителем информации.

Считывание информации с диска происходит за счёт регистрации изменений интенсивности отражённого от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Приёмник или фотодатчик определяет, отразился ли луч от гладкой поверхности, был рассеян или поглощён. Рассеивание или поглощение луча происходит в местах, где в процессе записи были нанесены углубления. Фотодатчик воспринимает рассеянный луч, и эта информация в виде электрических сигналов поступает на микропроцессор, который преобразует эти сигналы в двоичные данные или звук.