Устройства внешней памяти

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер.

Одной из основных характеристик ВЗУ является общий объем хранимой информации, или емкость ВЗУ, обычно измеряемая в байтах.

Из-за большого различия быстродействия оперативной памяти и ВЗУ обращения к внешней памяти вызывают потери производительности ПК. Поэтому быстродействие ВЗУ является показателем не менее важным, чем его емкость.

Соответственно быстродействие ВЗУ определяется двумя показателями: временем доступа и скоростью передачи информации. Различают среднее и максимальное время доступа.

В связи с определенными техническими особенностями магнитных носителей информации, на них нельзя записать и с них нельзя считать отдельный байт. Запись и считывание информации могут производиться только группами байт строго определенного размера блоками.

Внешние ЗУ делятся на устройства с прямым и последовательным доступом.

В устройствах с прямым доступом, к которым относятся магнитные диски и барабаны, время доступа мало зависит от положения носителя относительно головки в момент обращения к ВЗУ, что достигается циклическим движением носителя с большой скоростью относительно головки.

В устройствах с последовательным доступом (ВЗУ на магнитных лентах) для поиска нужного участка носителя требуется последовательный просмотр записанной на носителе информации, для чего может потребоваться несколько минут.

Основные характеристики ВЗУ прямо зависят от плотности записи информации на носитель.

Поверхностная плотность записи информации является произведением продольной плотности записи на поперечную плотность записи.

Продольная плотность записи равна числу бит, записываемых на единицу длины дорожки (бит/мм, бит/см или бит/дюйм). Поперечная плотность записи равна числу дорожек, приходящихся на единицу длины в направлении, перпендикулярном движению носителя (дорожек/мм, дорожек/см или дорожек/дюйм). Поверхностная плотность записи, таким образом, измеряется числом бит на квадратный миллиметр, квадратный сантиметр или квадратный дюйм.

^ Допустимая продольная плотность записи зависит от характеристик магнитного носителя, зазора между носителем и головкой, конструкции головки, способа записи информации и других факторов.

Увеличения поперечной плотности записи можно достигнуть уменьшением ширины дорожки и расстояния между центрами дорожек. Минимальная ширина дорожки ограничена технологическими трудностями изготовления головок. При уменьшении расстояния между центрами дорожек увеличиваются перекрестные электромагнитные наводки в головках.

^ Скорость перемещения носителя влияет на такие важные характеристики ВЗУ, как время доступа и скорость передачи информации.

С увеличением этой скорости время доступа уменьшается, а скорость передачи информации увеличивается. В устройствах на жестких дисках для увеличения линейной скорости движения носителя применяется бесконтактная запись. Для обеспечения высокой плотности записи зазор между головками и поверхностью диска должен быть минимальным, однако этому препятствуют механические неточности изготовления дисков и температурные деформации.

Для уменьшения зазора используются различные аэродинамические эффекты, создающие между головками и диском воздушную подушку толщиной в несколько микрометров.

В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Для ускорения обмена с дисками широко применяется кэширование, принцип которого близок к принципу кэширования оперативной памяти. Точно так же кэширование диска позволяет за счет использования более быстрой электронной памяти, чем дисковая память, существенно увеличить среднюю скорость обмена с диском.

Особенно эффективно кэширование при оптимизации жесткого диска (его дефрагментации), когда каждый файл расположен в группе секторов, следующих друг за другом. Кэш-память диска обычно располагается на плате специального кэш-контроллера дисковода, и ее объем может достигать 16 Мбайт.

В состав внешней памяти компьютера входят:

• 
  накопители на жёстких магнитных дисках;
• 
  накопители на гибких магнитных дисках;
• 
  накопители на компакт-дисках;
• 
  накопители на магнито-оптических компакт-дисках;
• 
  накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.

Накопители на гибких магнитных дисках

Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.

Способ записи двоичной информации на магнитной среде называется магнитным кодированием. Он заключается в том, что магнитные домены в среде выстраиваются вдоль дорожек в направлении приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обычно устанавливается однозначное соответствие между двоичной информацией и ориентацией магнитных доменов.

Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов.

В настоящее время наибольшее распространение получили дискеты со следующими характеристиками: диаметр 3,5 дюйма (89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18.

Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy-disk drive), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 мин^-1. В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки перемещаются по радиусу. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

В последнее время появились трехдюймовые дискеты, которые могут хранить до 3 Гбайт информации. Они изготовливаются по новой технологии Nano2 и требуют специального оборудования для чтения и записи.

Накопители на жестких магнитных дисках

Если гибкие диски — это средство переноса данных между компьютерами, то жесткий диск — информационный склад компьютера.

Как и у дискеты, рабочие поверхности платтеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки — на секторы. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке модуля данных на дисковод он автоматически соединяется с системой, подкачивающей очищенный охлажденный воздух. Поверхность платтера имеет магнитное покрытие толщиной всего лишь в 1,1 мкм, а также слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъёме на ходу. При вращении платтера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 0,5 мкм над поверхностью диска.

Винчестерские накопители имеют очень большую ёмкость: от 10 до 100 Гбайт. У современных моделей скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 7200 об/мин, среднее время поиска данных 9 мс, средняя скорость передачи данных до 60 Мбайт/с. В отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно. Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем (обычно 2 Мбайта), который существенно повышает их производительность. Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска.

Накопители на компакт-дисках

Здесь носителем информации является CD-ROM (Сompact Disk Read-Only Memory - компакт диск, из которого можно только читать).

CD-ROM представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра.

Информация на диске представляется в виде последовательности впадин (углублений в диске) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположеных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска. На каждом дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Для сравнения — на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек. Емкость CD достигает 780 Мбайт.

Cчитывание информации с CD-ROM происходит с достаточно высокой скоростью, хотя и заметно меньшей, чем скорость работы накопителей на жестком диске. CD-ROM просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, c них невозможно случайно стереть информацию.

В отличие от магнитных дисков, компакт-диски имеют не множество кольцевых дорожек, а одну — спиральную, как у грампластинок. В связи с этим, угловая скорость вращения диска не постоянна. Она линейно уменьшается в процессе продвижения читающей лазерной головки к краю диска.

Для работы с CD-ROM нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM, преобразующий последовательность углублений и выступов на поверхности CD-ROM в последовательность двоичных сигналов. Для этого используется считывающая головка с микролазером и светодиодом. Глубина впадин на поверхности диска равна четверти длины волны лазерного света. Если в двух последовательных тактах считывания информации луч света лазерной головки переходит с выступа на дно впадины или обратно, разность длин путей света в этих тактах меняется на полуволну, что вызывает усиление или ослабление совместно попадающих на светодиод прямого и отраженного от диска света.

Если в последовательных тактах считывания длина пути света не меняется, то и состояние светодиода не меняется. Различная длина оптического пути луча света в двух последовательных тактах считывания информации соответствует двоичным единицам. Одинаковая длина соответствует двоичным нулям.

^ Профиль дорожки CD-ROM

На смену технологии СD-ROM идет технология цифровых видеодисков DVD. Эти диски имеют тот же размер, что и обычные CD, но вмещают до 17 Гбайт данных, т.е. по объему заменяют 20 стандартных дисков CD-ROM. Это достигается за счет уменьшения элементарной площади бита (увеличения плотности записи), использования обеих сторон диска и двух слоев на каждой стороне, сокращения служебной информации для коррекции ошибок. На таких дисках выпускаются мультимедийные игры и интерактивные видеофильмы отличного качества, позволяющие зрителю просматривать эпизоды под разными углами камеры, выбирать различные варианты окончания картины, знакомиться с биографиями снявшихся актеров, наслаждаться великолепным качеством звука.

Записывающие оптические и магнитооптические накопители

Записывающий накопитель CD-R (Compact Disk Recordable) способен, наряду с прочтением обычных компакт-дисков, записывать информацию на специальные оптические диски емкостью 650 Мбайт. В дисках CD-R отражающий слой выполнен из золотой пленки. Между этим слоем и поликарбонатной 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.

Накопитель на магнито-оптических компакт-дисках СD-MO (Compact Disk — Magneto Optical). Диски СD-MO можно многократно использовать для записи. Ёмкость от 128 Мбайт до 2,6 Гбайт.

Накопители на магнитной ленте (стримеры) и накопители на сменных дисках

Стримеры позволяют записать на небольшую кассету с магнитной лентой огромное количество информации. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед её записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объём сохраняемой информации.

Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации.

Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого. Стирание и запись во флэш-память происходит значительно медленнее, чем чтение.