Билет №6. Устройства памяти компьютера. Носители информации (гибкие диски, жесткие диски, диски CD-ROM/R/RW,DVD и др.)

Память в целом предназначена для хранения как данных, так и программ их обработки: согласно фундаментальному принципу фон Неймана, для обоих типов информации используется единое устройство.

Начиная с самых первых ЭВМ, память сразу стали делить на внутреннюю и внешнюю.

Под внутренней памятью современного компьютера принято понимать быстродействующую электронную память, расположенную на его системной плате. Сейчас такая память изготавливается на базе самых современных полупроводниковых технологий. Наиболее существенная часть внутренней памяти называется оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM: random access memory − память произвольного доступа). Его главное назначение состоит в том, чтобы хранить данные и программы для решаемых в текущий момент задач. Наверное, каждому пользователю известно, что при выключении питания содержимое ОЗУ полностью теряется.

Оперативная память изготавливается в виде модулей памяти. Модули памяти представляют собой пластины с рядами контактов, на которых размещаются БИС памяти. Модули памяти могут различаться между собой по размеру и количеству контактов (DIMM: dual in-line memory module − модуль памяти с двухрядным расположением выводов, DDR: double data rate − двойная скорость передачи данных), быстродействию (максимально возможная частота операций записи или считывания информации из ячеек памяти), информационной емкости (в МБайтах).

Кэш-память. Для ускорения доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память, которая располагается как бы "между" микропроцессором и основной памятью (DRAM: dynamic random access memory − динамическое запоминающее устройство с произвольным доступом): он состоит из кэш-контролера и кэш-памяти SRAM (static random access memory − статическое запоминающее устройство с произвольным доступом) и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении процессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем ко всей оперативной памяти, а в большинстве случаев необходимые данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается. Он появился относительно недавно, но начиная с 486-го процессора, без кэш-памяти не обходится ни одна модель процессора. Название «кэш» происходит от английского слова “cashe”, которое обозначает тайник или замаскированный склад (в частности, этим словом называют провиант, оставленный экспедицией для обратного пути, или запас продуктов, например, меда, которые животные создают на зиму).

Кэш-память может быть встроена непосредственно внутрь процессора (кэш-память, встроенная в кристалл), а может существовать в виде отдельного элемента. Кэш-память работает на той же частоте, что и сам процессор, имеет небольшой объем. Заметим, что именно размером кэш-памяти отличаются между собой идентичные в остальном процессоры Pentium и Celeron фирмы Intel, а также Athlon и Duron фирмы AMD. Как и для ОЗУ, увеличение объема кэша повышает эффективность работы компьютерной системы.

В состав внутренней памяти современного компьютера, помимо ОЗУ, также входят и некоторые другие разновидности памяти.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) или BIOS (Basic Input-Output System – базовая система ввода-вывода). В ПЗУ (BIOS) хранится информация, необходимая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. Как очевидно из названия, информация в ПЗУ не зависит от состояния компьютера (для лучшего понимания можно указать на некоторую аналогию между информацией в ПЗУ и "врожденными" безусловными рефлексами у живых существ). Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на заводе, теперь же современные технологии позволяют в случае необходимости обновлять его даже не извлекая из компьютерной платы.

CMOS (complementary metal-oxide semiconductor − комплементарный (дополняющий) металло-оксидный полупроводник) или полупостоянная память. Небольшой участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Его называют CMOS-памятью, поскольку эта память обычно выполняется по технологии, обладающей низким энергопотреблением. Содержимое CMOS-памяти не изменяется при выключении электропитания компьютера, поскольку для ее электропитания используется специальный аккумулятор. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигурации компьютера – SETUP. Она позволяет установить некоторые характеристики устройств компьютера (типы видеоконтроллера, жестких дисков и дисководов для дискет. Программа настройки конфигурации вызывается, если пользователь во время начальной загрузки нажмет клавишу Del.

Видеопамять (VRAM: video random access memory − запоминающее устройство с произвольным доступом для сопряжения микропроцессора с монитором, ОЗУ видеоизображений). Еще один вид памяти, который используется для хранения изображения, выводимого на экран монитора. Эта память обычно входит в состав видеоконтроллера – электронной схемы, управляющей выводом изображения на экран. Она характеризуется объемом, которая в последние годы достигла значения в 512 МБайт.

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). Внешняя память в отличие от внутренней памяти является энергонезависимой.

Основные виды накопителей:

1. накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);
2. накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);
3. накопители на CD-ROM, DVD.

Им соответствуют основные виды носителей:

1. гибкие магнитные диски (Floppy Disk)
2. жесткие магнитные диски (Hard Disk);
3. диски CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD и др.

Накопители 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:

1. информационная емкость;
2. скорость обмена информацией;
3. надежность хранения информации;
4. стоимость.

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 магнитомягкого 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 один или несколько дисков, размещенных на одной оси, заключенных в металлический корпус и вращающихся с большой угловой скоростью.

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 1 Терабайт. Скорость записи и считывания информации с жестких дисков достаточно велика за счет быстрого вращения дисков (7200 об./мин).

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) используют оптический принцип чтения информации.

На лазерных CD-ROM (CD – Compact Disk, компакт-диск) и DVD-ROM (DVD – Digital Versatile Disk, универсальный цифровой диск) 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 – память только для чтения). Производятся такие диски путем штамповки и имеют серебристый цвет.

Информационная емкость CD-ROM диска может достигать 700 Мбайт, а скорость считывания информации в CD-ROM-накопителе зависит от скорости вращения диска.

DVD-диски имеют гораздо большую информационную емкость (до 17 Гбайт) по сравнению с 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.

Односторонние однослойные DVD-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 зависимости от объема требующих хранения данных и выбирается тип DVD-диска.

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 и выше.

Существуют CD-R и DVD-R-диски (R – recordable, записываемый). Информация на такие диски может быть записана, но только один раз. На дисках CD-RW и DVD-RW (RW – Rewritable, 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.

Flash-память. Flash-память – это энергонезависимый 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.