Устройства хранения данных

Из-за зависимости от питания (обнуляется при отключении питания) и ограниченного размера оперативной памяти компьютера большинство машин снабжены устройствами хранения данных (mass storage system), которые включают в себя магнитные диски, компакт-диски и магнитные ленты. Основными отличиями устройств хранения данных от оперативной памяти являются их независимость от питания, большая емкость и, в большинстве случаев, автономность, то есть возможность перемещать запоминающую среду независимо от компьютера, что удобно для создания архивов.

Термины неавтономный и автономный часто применяются для описания отношения между устройством и компьютером. Неавтономное устройство означает, что устройство или информация присоединены и доступны для машины без вмешательства человека. Автономное же означает, что требуется вмешательство человека для того, чтобы устройство или информация могли быть доступны для машины, возможно, потому что устройство нужно включить или носитель информации должен быть вставлен в какой-либо механизм.

Главным недостатком устройств хранения данных является то, что они требуют механического движения и, следовательно, обладают большим временем отклика по сравнению с оперативной памятью машины, которая является электронной.

Магнитные диски

Одним из наиболее распространенных запоминающих устройств сегодня является магнитный диск (magnetic disk), в котором тонкий вращающийся диск с магнитным покрытием используется как носитель информации. Головки чтения/записи располагаются над и/или под диском, так что, когда диск вращается, каждая головка очерчивает кольцо на верхней или нижней поверхности диска, называемое дорожкой (track). При различном положении головок чтения/записи осуществляется доступ к различным дорожкам. В большинстве случаев запоминающая система состоит из нескольких дисков, установленных на общем шпинделе, один над другим на расстоянии, достаточном для прохождения между ними головок чтения/записи. Каждый раз, когда положение головок чтения/записи меняется, становится доступным новый набор дорожек, который называется цилиндром (cylinder).

Так как дорожка может содержать больше информации, чем нам необходимо, каждая из них разделена на дуги, которые называются секторами (sectors) и на которые информация записывается в виде непрерывной последовательности битов (рис. 1.9). Каждая дорожка в накопителе на дисках содержит одинаковое количество секторов, и каждый сектор содержит одинаковое количество битов (это означает, что биты в секторе хранятся более компактно на дорожках, расположенных ближе к центру диска, чем на дорожках, расположенных ближе к краю).

Таким образом, запоминающая система диска состоит из отдельных секторов, каждый из которых содержит независимую последовательность битов. Число дорожек и секторов на дорожке различается в зависимости от накопителя. Размер сектора обычно не больше нескольких килобайтов, общепринятыми являются секторы размером 512 или 1024 байта.

Расположение дорожек и секторов не является постоянной частью физической структуры диска, они размечаются в процессе форматирования (formatting) (или инициализации) диска. Обычно эта процедура выполняется производителями дисков, и мы получаем уже отформатированный диск. Большинство компьютерных систем также могут выполнять эту задачу. Следовательно, если информация о форматировании на диске повреждена, диск можно переформатировать, хотя это приведет к потере всей информации, записанной на диск раньше.

Емкость накопителя на дисках зависит от числа используемых дисков1 и плотности расположения дорожек и секторов. Системы малой емкости состоят из одного пластмассового диска (покрытого с двух сторон тонким слоем специального магнитного материала), известного как дискеты, а также гибкие диски, или флоппи (floppy disk, или FDD). Их гибкость очень наглядно проявлялась у старых носителей диаметром 5'/4 дюйма и более, помещавшихся в бумажные конверты, и менее очевидна у современных дисков диаметром 3'/2 дюйма, помещаемых в жесткие пластмассовые корпуса. Дискеты легко помещаются и извлекаются из соответствующих устройств чтения/записи и легко хранятся. Вследствие этого дискеты часто используются для автономного хранения информации. Обычные ЗУ2-дюймовые дискеты способны вмещать 1,44 Мбайт данных, хотя другие менее распространенные диски могут иметь значительно большую емкость. Примером может послужить Zip-диск компании Iomega Corporation, емкость которого может достигать нескольких сотен мегабайтов на одной дискете.

Диски большой емкости, способные вмещать гигабайты информации, состоят их 5—10 жестких дисков, установленных на общем шпинделе. Из-за того, что диски, используемые в этих устройствах, жесткие, и само устройство называется жестким диском (hard disk, или HDD), в отличие от гибких дисков. Для большей скорости вращения головки чтения/записи в этих устройствах не соприкасаются с диском, а «плавают» над его поверхностью. Расстояние между головками и диском настолько мало, что даже пылинка может помешать работе и разрушить и диск, и головку (это явление называется аварией головок (head crash)). Поэтому накопитель на жестких дисках помещается в футляр, запаянный на заводе.

Чтобы оценить качество накопителя на дисках, используется несколько параметров:

1) время поиска (seek time) — время, которое требуется, чтобы переместить головки чтения/записи с одной дорожки на другую;

2) задержка, связанная с вращением (rotation delay), или время ожидания (latency time) — половина времени, необходимого для того, чтобы диск совершил полный оборот, что составляет средний промежуток времени, за который нужные данные будут доступны головке чтения/записи после того, как она переместилась на нужную дорожку;

3) время доступа (access time) — сумма времени поиска и времени ожидания;

4) скорость передачи (transfer rate) — скорость, с которой данные могут быть переданы с диска или на диск.

Жесткие диски имеют значительно лучшие характеристики, чем гибкие. Поскольку в накопителях на жестких дисках головки чтения/записи не касаются поверхности диска, скорость вращения на сегодняшний день составляет порядка 3000-40001 оборотов в минуту, в то время как в накопителях на гибких дисках скорость вращения диска составляет 300 оборотов в минуту. Следовательно, скорость передачи для жестких дисков, обычно измеряемая в мегабайтах в секунду, значительно больше, чем скорость передачи у гибких дисков, которая измеряется в килобайтах в секунду.

Поскольку для работы дисков требуется механическое движение, то и жесткие, и гибкие диски уступают в скорости передачи информации электронным схемам. На самом деле, время ожидания в электронной схеме измеряется в наносекундах (миллиардная доля секунды) или меньше, а время поиска, время ожидания и время доступа дисков измеряется в миллисекундах (тысячная доля секунды). Таким образом, время, необходимое для получения информации с диска, кажется вечностью по сравнению со временем электронной схемы.

Компакт-диски

Другая распространенная технология хранения данных — компакт-диски (compact disks). Эти диски диаметром 12 см состоят из отражающего материала, покрытого прозрачным защитным слоем. Запись информации на них осуществляется посредством изменения структуры их отражающего слоя. Информация извлекается с диска при помощи лазерного луча, который контролирует отличия структуры отражающего слоя диска по мере его вращения. Технология производства компакт-дисков первоначально применялась для звукозаписи, при этом использовался формат, известный как CD-DA (compact disk digital audio — компакт-диск с цифровой звукозаписью). Компакт-диски, которые применяются сегодня для хранения данных, имеют этот же формат. А именно информация на этих дисках хранится на единственной спиральной дорожке, похожей на спиральный желобок в старых грампластинках (рис. 1.10). (Однако в отличие от пластинок дорожка диска находится внутри, а не на поверхности.) Дорожка разделена на отрезки, которые называются секторами. Каждый сектор имеет свой идентифицирующий маркер и емкость 2 Кбайт, что составляет 1/75 секунды звукозаписи.

Обратите внимание, что размер витков дорожки увеличивается к внешнему краю диска. Это означает, что на внешних витках хранится больше информации, чем на внутренних. Кроме того, за один оборот диска лазерный луч считывает больше информации во время прохождения по внешней части дорожки, чем во время прохождения по внутренней части. Поэтому, чтобы скорость передачи данных была одинаковой, проигрыватели компакт-дисков изменяют скорость вращения диска в зависимости от местоположения лазерного луча.

Вследствие этого запоминающая система компакт-диска лучше подходит для хранения длинных непрерывных цепочек данных, как в случае с воспроизведением музыки. Когда же необходим доступ к информации в случайном порядке, технология, используемая в магнитных дисках (отдельные концентрические дорожки, каждая из которых содержит одинаковое число секторов), подходит лучше.

Современные гигобайтные накопители имеют скорости вращения 7200 и даже 10 000 об/мин. — Примеч. ред.

Емкость обычных компакт-дисков составляет 600-700 Мбайт. Однако новый формат DVD (Digital Versatile Disk — универсальный цифровой диск) имеет емкость порядка 10 Гбайт. На таких дисках можно хранить мультимедийные презентации, где аудио- и видеоданные совместно представляют информацию более интересным и наглядным способом, чем обычный текст. Хотя пока формат DVD используется в основном для записи кинофильма на один диск.

Магнитные ленты

Не такой уж новый вид массового запоминающего устройства (рис. 1.11) представляют собой магнитные ленты (magnetic tapes). В них информация записывается на магнитный слой тонкой пластиковой ленты, которая для хранения наматывается на бобину. Для извлечения данных эта лента устанавливается в аппарат, называемый лентопротяжным устройством, который может читать с ленты, записывать на ленту и перематывать ее под управлением компьютера. Размер лентопротяжных механизмов варьирует от небольших кассетных, называемых устройствами бегущей ленты, которые используют ленту, похожую на ленту в звуковых стереосистемах, до больших катушечных устройств. Хотя емкость этих запоминающих устройств зависит от того, какой формат используется, большинство из них могут вмещать гигабайты информации.

В современных ленточных устройствах лента разделена на сегменты, каждый из которых маркируется в процессе форматирования, подобно тому, как это происходит в устройствах на дисках. Каждый из сегментов содержит несколько дорожек, которые располагаются параллельно друг другу по всей длине ленты. К каждой дорожке возможен индивидуальный доступ, и это значит, что лента, в конечном счете, состоит из множества отдельных последовательностей битов, так же как в секторах на диске.

Главным недостатком устройств на лентах является то, что перемещение по ленте занимает очень много времени вследствие того, что большое количество ленты должно пройти между бобинами. Таким образом, устройства на ленте имеют гораздо большее время доступа, чем устройства на дисках, в которых сектора можно достичь простым передвижением головки чтения/записи. Также устройства на ленте мало применяются для неавтономного хранения данных. Но когда возникает необходимость автономного хранения данных для создания архива, большая емкость, прочность и экономическая эффективность делают этот вид устройств полезным.