Такие устройства называются накопителями. В основе их работы лежат разные принципы
(в основном это магнитные или оптические устройства), но используются они для
одной цели - для хранения информации для последующего многократного использования.
Этот вид памяти, в отличие от оперативной памяти, является энергонезависимым.
Объем носителей, используемых в этих устройствах, значительно превосходит объем
оперативной памяти. Стоимость хранения единицы информации существенно ниже.
Накопители бывают внешними (собственный корпус и источник питания) и внутренними
(встраиваются в корпус компьютера), со сменными и несменными носителями, с носителями
разной формы (диски, ленты). Накопители имеют разные характеристики: максимально
возможный объем хранимой информации, время доступа. Немаловажное значение имеет
стоимость хранения информации. Для интеграции накопителей в компьютер разработаны
специальные интерфейсы. Интерфейсы накопителей
В настоящее время преобладают два интерфейса: IDE и SCSI. Большое распространение
получает интерфейс USB. SCSI
Интерфейс SCSI (Small Computer System Interface) был разработан еще в 1970 году.
К шипе можно подключить до восьми устройств, включая основной контроллер SCSI.
Контроллер SCSI имеет собственную BIOS, которая управляет шиной SCSI, освобождая
центральный процессор. Шина SCSI - 8-разрядная, тактовая частота - 5 МГц, имеет
восемь линий данных, линию четности, девять управляющих линий. Максимальная
скорость передачи данных не превышает 5 Мбит/с. Интерфейс SCSI имеет большую
чувствительность к качеству изготовления кабелей.
Интерфейс SCSI-2 (Fast SCSI) - развитие стандарта, в котором тактовая частота
и скорость передачи данных увеличены в два раза. Добавлены и стандартизованы
команды доступа к периферийным устройствам.
В стандарт SCSI-2 добавлена спецификация Wide (широкая), в которой количество
информационных линий увеличено до 24. К шине можно подключать как 8-разрядные,
так и 16-разрядные устройства.
В модификации Ultra SCSI тактовая частота - 20 МГц (другие названия SCS1-3,
SCSI20). Добавлены команды для некоторых графических устройств. Ultra Wide SCSI
обеспечивает 16-разрядную передачу данных со скоростью до 40 Мбит/с. В Ultra
2 Wide SCSI тактовая частота увеличена до 40 МГц, скорость передачи данных -
40 Мбит/с. Существует Wide-спецификация этого стандарта, по которой поддерживается
до 15 устройств. IDE
Интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics) был предложен в 1988 году как недорогая
альтернатива используемым в то время интерфейсам. Отличительной чертой IDE является
реализация функций контроллера в электронной части устройства. Второе название
интерфейса - ATA (AT Attachment). В качестве подключаемых устройств могли быть
только накопители на несъемных жестких дисках. Интерфейс поддерживает PIO (Programmed
Input/Output), в соответствии с которым обмен данными осуществляется через центральный
процессор. Второй способ обмена - режим DMA (Direct Memory Access), когда обмен
данными с оперативной памятью осуществляется непосредственно, без участия центрального
процессора. IDE одновременно может поддерживать до двух устройств, режимы PIO
Mode 1 и 2, DMA. Максимальная скорость передачи данных 8,3 Мбит/с.
Развитием стандарта стал интерфейс EIDE (Enhanced IDE), который поддерживает
устройства объемом свыше 504 Мбайт, и не только устройства с жесткими дисками
(такая спецификация интерфейса называется ATAPI - ATA Packed Interface). Возможно
подключение до четырех устройств. В системе можно устанавливать несколько контроллеров
EIDE. Интерфейс поддерживает режимы PIO Mode 3 и 4, DMA Single Word Mode 2 и
Multi Word Mode 1 и 2. Существенное увеличение пропускной способности шины дает
поддержка режима Bus Mastering DMA. Максимальная скорость передачи данных -
до 16,7 Мбит/с.
Интерфейс АТА-3 разработан для повышения надежности передачи данных и повышения
ее производительности. Стандарт поддерживает технологию предупреждения отказов
жестких дисков SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology).
Интерфейс Ultra ATA поддерживает протокол UltraDMA, по которому за один такт
передается в два раза больше информации, чем в предыдущих версиях.
Выпускаются накопители, использующие, кроме рассмотренных стандартов, стандарты
USB, PCMCIA, FireWire и др. Накопители на лентах
Накопители на магнитных лентах называются стримерами. Стримеры используются,
когда необходимо записать большие объемы информации при создании архивных копий.
Современные стримеры используют специальные кассеты (картриджи) с магнитной
лентой. Стримеры, как правило, имеют собственные средства сжатия данных. Стримеры
имеют равные стандарты, определяющие интерфейс с компьютером, формат магнитной
ленты, методы кодирования и сжатия. QUC-стримеры (Quarter Inch Cartridge) имеют
толщину картриджа 1/4". Емкость картриджей различна - от 250 Мбайт до 1,3
Гбайт. Travan-стримеры используют магнитные ленты шириной 0,315". Емкость
картриджей - от 400 Мбайт до 4 Гбайт. В DAT-стримерах (Digital Audio Tape) используется
технология спирального сканирования, позволяющая увеличить плотность записи.
Емкость картриджа достигает 8 Гбайт. DLT-стримеры (Digital Linear Tape) имеют
высокую надежность в эксплуатации, позволяют записывать информацию с высокой
скоростью. Емкость картриджа до 35 Гбайт. Накопители на дисках
Отличительной особенностью таких устройств является использование в качестве
носителей информации круглых дисков разного диаметра, отличающихся форм-фактором.
Выпускаются носители с форм-фактором (размером) 1,8", 2,5", 3,5",
5,25".
Накопители на жестких несъемных дисках
Эти накопители называются винчестерами. Они представляют собой систему, состоящую
из механического привода, головок чтения/записи, нескольких носителей и контроллера,
обеспечивающего работу всего устройства и передачу данных.
Магнитная головка (несколько магнитных головок в специальном позиционере) является
одной из наиболее важных частей устройства. Конструкция магнитных головок постоянно
совершенствуется. Различают следующие типы: монолитные, изготовленные из ферритов,
композиционные, состоящие из нескольких видов материалов (стекло, сплавы, керамика),
тонкопленочные, изготавливаемые методом фотолитографии, магниторезистивные,
состоящие из двух - для записи и для чтения. Носитель информации состоит из
нескольких дисков, каждый из которых имеет две рабочих поверхности. При записи
информации используются магнитные свойства слоя, нанесенного на поверхность.
Диски закреплены на шпинделе двигателя. Скорость вращения дисков может быть
3600, 4500, 5400, 7200, 10000, 12000 об/мин. С увеличением скорости вращения
дисков увеличивается производительность всей системы.
Геометрические размеры устройства определяются форм-фактором и размером по высоте:
Full Height (FH) - полная высота 3,25", Half-Height (HH) - половинная высота
или Low-Profile (LP) - низкий профиль 1".
Каждая поверхность любого из дисков разбивается на отдельные дорожки. Дорожки
на одной вертикали на всех поверхностях образуют цилиндр. Дорожка разбивается
на секторы. Доступ к необходимой информации осуществляется по номеру дорожки
номеру цилиндра, номеру сектора.
Плотность записи на внешних секторах меньше, чем на внутренних секторах. В современных
винчестерах форм-фактора 3,5", 5,25" диск разбивают на зоны, в пределах
которых количество секторов постоянно. Чем зона дальше от центра, тем больше
она содержит секторов.
Среди основных параметров, определяющих производительность винчестера, можно
выделить следующие: среднее время доступа, которое определяется временем позиционирования
магнитных головок на дорожке и временем ожидания сектора, и скорость обмена
данными, которая в основном зависит от используемого интерфейса. Накопители на сменных дисках
Приводы для floppy-дисков появились уже на первых персональных компьютерах.
Форм-фактор этих дисков 5,25". Емкость одного диска составляла 160 Кбайт.
Со временем емкость одного дискового носителя увеличилась до 1,2 Мбайт. Следующий
этап - форм-фактор 3,5". Емкость одного носителя 720 Кбайт, 1,44 Кбайт.
Операции чтения/записи осуществляются контактным способом, когда магнитная головка
устройства соприкасается с поверхностью носителя. У таких устройств невысокая
плотность записи, скорость обмена, значительное время доступа.
Современные разработки floppy-устройств позволяют улучшить показатели подобных
устройств, используя гибкие диски форм-фактора 3,5", на которых можно хранить
до 100-200 Мбайт информации. Некоторые накопители могут работать с обычными
floppy-дисками, некоторые - нет. Для увеличения плотности записи используются
современные технологии, такие как применение лазерного луча для точного позиционирования
магнитной головки устройства, эффекта Бернулли для бесконтактного способа записи/чтения.
MOD (Magneto-Optical Disk) - магнитооптические диски имеют различную емкость
от 128 Мбайт до 640 Мбайт. Запись производится магнитным способом после нагревания
лазером магнитного слоя до определенной температурной точки (точка Кюри). Надежность
хранения информации обеспечивается тем, что при обычной температуре информация
не подвержена действию внешних магнитных полей.
Устройства CD-ROM используют носители, емкостью до 650 Мбайт. Носитель представляет
собой диск со светоотражающим слоем на одной стороне, на которой хранится информация.
На диск нанесена дорожка спираль от центра к краю диска, состоящая из отражающих
и не отражающих свет точек. Считывание производится лазерным лучом. Скорость
считывания информации определяется в сравнении со стандартом Audio CD - 150
Кбайт/с. Низкоскоростные приводы использовали линейную скорость считывания информации.
При этом угловая скорость увеличивалась при чтении на внешней стороне диска.
В высокоскоростных приводах стали использовать постоянную угловую скорость.
В маркировках таких приводов указывается максимально достижимая скорость считывания
информации. Скорость чтения неполного диска никогда не достигнет максимального
значения.
Накопители CD-R с возможностью записи позволяют однократно записывать информацию
на диски диаметром 120 и 80 мм. Луч лазера прожигает пленку на поверхности диска,
меняя его отражательную способность. Перезапись невозможна. Такие диски читаются
на любом приводе CD-ROM.
Накопители CD-RW позволяют делать многократную запись на диск. Здесь используется
свойство рабочего слоя переходить под действием лазерного луча в кристаллическое
или аморфное состояние, имеющие разную отражательную способность. Такие диски
могут не читаться на некоторых, особенно устаревших приводах CD-ROM.
Накопители DVD (Digital Versatile Disc) - цифровой универсальный диск. Предназначен
для хранения видео, аудио высокого качества, компьютерной информации большого
объема. На рис. 3.14 изображено устройство DVD. Односторонние однослойные DVD
имеют емкость 4,7 Гбайт информации, двухслойные - 8,5 Гбайт; двухсторонние однослойные
вмещают 9,4 Гбайт, двухслойные - 17 Гбайт. Плотность записи выше, чем у обычных
CD-ROM. Накопители DVD могут читать обычные CD-ROM-диски. Двухскоростные накопители
DVD могут читать и CD-R, и CD-RW-диски.
Накопители DVD-RAM позволяют записывать и перезаписывать информацию. На одностороннем
однослойном диске можно разместить 2,58 Гбайт данных, на двухстороннем - 5,2
Гбайт. Конкурирующий стандарт DVD-R позволяет хранить 3,95 Гбайт информации.
Накопители па сменных жестких дисках используют технологию винчестеров. Параметры
таких устройств приближаются к параметрам устройств с жесткими несъемными дисками.
Как правило, используется форм-фактор 3,5". Емкость одного носителя варьируется
от 230 Мбайт до 2 Гбайт. RAID
RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) массив - устройство, состоящее из
нескольких винчестеров и RAID-контроллера. Такое устройство обладает большим
объемом дискового пространства, повышенной скоростью обмена данными, значительной
надежностью хранения информации. RAID level 0 обеспечивает высокую скорость
обмена данными за счет параллельной записи на несколько дисков. Скорость обмена
находится в прямой пропорции от количества используемых винчестеров. Надежность
такого RAID-массива невелика. RAID level 1 обеспечивает надежность хранения
информации за счет дублирования информации на несколько дисков. RAID level 3
и 5 являются промежуточными вариантами, где надежность обеспечивается не простым
дублированием информации, а дополнительной избыточной информацией, необходимой
для восстановления информации при сбоях системы.
RAID-массивы допускают замену винчестера без отключения питания и останова компьютерной
системы, без потерь информации.
