Долговременные и постоянные запоминающие устройства

Долговременные и Постоянные запоминающие устройства

1. Долговременные запоминающие устройства

Современные долговременные запоминающие устройства для хранения информации используют технологию магнитной записи на дисковые накопи­тели, которая основывается на способности железа намагничиваться под воздействием магнитного поля. Магнитное покрытие на основе оксида желе­за очень тонкое. Чем тоньше покрытие, тем лучше оно способно намагничи­ваться и размагничиваться. Покрытие наносится на немагнитную основу. Основой жестких дисков служит алюминий, гибких - майлар.

Магнитные ленты из-за большого времени доступа к требуемой информа­ции в основном используются в устройствах резервного копирования и хра­нения данных, которые называются стримерами. Длина магнитной ленты стримера может достигать 1000 м. Благодаря этому стример может хранить десятки гигабайт информации.

Поверхность ленты или диска рассматривается как последовательность точек, каждая из которых считается битом и может быть установлена в маг­нитный эквивалент нуля или единицы. Поскольку расположение точечных позиций определяется неточно, для записи требуются заранее нанесенные метки, которые помогают записывающему устройству находить позиции за­писи. Необходимость таких синхронизирующих меток является одной из причин того, почему диски и ленты перед их использованием должны быть отформатированы.

В отличие от магнитных лент быстрый доступ к любой части поверхности диска обеспечивается благодаря его вращению. Гибкий диск вращается со скоростью 300 оборотов в минуту. Скорость вращения жестких дисков со­ставляет от 3600 до 7200 оборотов в минуту, то есть один оборот длиться от 1/60 до 1/120 секунды.

Диски еще называются памятью с прямым доступом, так как можно об­ратиться к любой части записанных данных без последовательного просмот­ра всей записанной информации. Это обеспечивается благодаря перемеще­нию головки считывания/записи вдоль радиуса диска и вращению диска под головкой (рис. 3).

Диски жестко закрепляются на ведущем валу. Число дисков, образующих пакет может составлять от трех до нескольких десятков.

Поверхность диска разбивается на концентрические окружности, назы­ваемые дорожками. Число дорожек зависит от типа диска. Гибкий диск размером 3.5 дюйма (1 дюйм ==2.53 см) и емкостью 1.44 Мбайт имеет 80 дорожек. Число дорожек жесткого диска составляет от 300 до 1000 и более.

Дорожки нумеруются начиная с нулевой внешней дорожки. Окружность до­рожки разбивается на участки, называемые секторами.

Данные на гибкий диск размером 3.5 дюйма и емкостью 1.44 Мбайт записываются с плотностью 135 дорожек на дюйм. При наличии 80 дорожек расстояние между первой и последней дорожками составляет всего 80/135 или около 0.6 дюйма (примерно 1.5 см).

Число секторов на дорожке определяется типом и форматом диска. Па-пример, диск размером 3.5 дюйма и емкостью 1.44 Мбайт имеет дорожки, состоящие из 18 секторов. Дорожка жестких дисков разделяется обычно на 17 секторов.

Для любого диска размер всех секторов фиксирован и равен 512 байт. Сектора также как и дорожки нумеруются но начиная с единицы.

Гибкий диск имеет две стороны. Жесткий диск, как правило, состоит из нескольких дисков, поэтому для определения количества сторон необходимо умножить количество внутренних дисков на два.

Дорожки на каждом составном диске, находящиеся на одинаковом рас­стоянии от центра выделяют и называют цилиндром. Зная все приведен­ные размеры, нетрудно определить емкость накопителя. Умножение числа сторон на число дорожек, расположенных на одной стороне, и на число сек­торов, имеющихся на дорожке, дает общее число секторов. В результате умножения этого числа секторов на число байтов в секторе (512) получается полная емкость диска. Гибкие диски имеют переключатели защиты от запи­си (диски размером 3.5 дюйма).

Название "жесткий диск" объясняется тем, что сами диски с магнитным покрытием сделаны из алюминиевого сплава. Жесткие диски помещаются в закрытый и герметичный корпус для защиты от пыли и грязи.

Устройства для считывания информации с жестких дисков называются дисководами или накопителями. Для обеспечения совместимости дисково­дов различных производителей необходима стандартизация способа (прото­кола) их взаимодействия. Способ взаимодействия дисководов и их контроллеров называется интерфейсом диска. Жесткие диски существенно отличаются по поддерживаемому интерфейсу.

Среднее время доступа - это усредненное время, необходимое для подвода магнитных головок к требуемому сектору. Оно составляет единицы миллисекунд. Это время складывается из двух составляющих - среднего времени по­иска, то есть подвода магнитных головок к требуемому цилиндру, и среднего времени ожидания, необходимого для подвода к блоку магнитных головок нужного сектора (рис.6.3).

Все современные накопители имеют буферную память, выполняющую роль кэш-памяти. Поэтому различают внутреннюю и внешнюю скорость пе­редачи. Внутренняя скорость передачи - это скорость передачи между диском и буферной памятью. Она зависит от частоты вращения диска и продольной плотности записи. Внешняя скорость передачи характеризует интенсивность потока данных между буферной памятью и ОЗУ, если считать что шина ее не ограничивает.

Среднее время безотказной работы современных накопителей жестких магнитных дисков составляет порядка 500000 часов (57 лет непрерывной ра­боты).

Вследствие высокой скорости вращения дисков невозможна как точная механическая установка зазора между головками и дисками, так и контакт­ная запись, применяемая для записи информации на магнитные ленты. По­этому необходимый зазор (3-10 мкм) поддерживается с помощью воздушной "подушки". Капсула головки записи/считывания содержит несколько не­больших сопел, через которые подается поток воздуха, создающий воздуш­ную "подушку" между головкой и поверхностью диска. Головка подвержена действию усилия, прижимающего ее к диску, а воздушная подушка препят­ствует образованию контакта. Внезапное прекращение вращения диска при­водит к касанию головкой поверхности диска, что может явится причиной его повреждения и потери данных, хранившихся на этом участке диска. По­этому перед выключением питания выполняется автоматическая парковка головок в безопасное положение.

Информационная структура диска

Современные долговременные запоминающие устройства для хранения информации используют технологию магнитной записи на дисковые накопители, которая основывается на способности железа намагничиваться под воздействием магнитного поля. Поверхность диска разбивается на концентрические окружности, называемые дорожками. Число дорожек зависит от типа диска. Гибкий диск размером 3.5 дюйма (1 дюйм = 2.53 см) и емкостью 1.44 Мбайт имеет 80 дорожек. Число дорожек жесткого диска составляет от 300 до 1000 и более. Дорожки нумеруются, начиная с нулевой внешней дорожки. Окружность дорожки разбивается на участки, называемые секторам.

Данные на гибкий диск размером 3.5 дюйма и емкостью 1.44 Мбайт записываются с плотностью 135 дорожек на дюйм. При наличии 80 дорожек расстояние между первой и последней дорожками составляет всего 80/135 или около 0.6 дюйма (примерно 1.5 см). Дискеты размером 3.5 дюйма с повышенной плотностью записи информации способны хранить до 120 Мбайт информации.

Число секторов на дорожке определяется типом и форматом диска. Например, диск размером 3.5 дюйма и емкостью 1.44 Мбайт имеет дорожки, состоящие из 18 секторов. Дорожка жестких дисков разделяется обычно на 17 секторов.

Для любого диска размер всех секторов фиксирован и равен 512 байт. Секторы, также как и дорожки, нумеруются, но, начиная с единицы.

Дорожки на каждом составном диске, находящиеся на одинаковом расстоянии от центра, выделяют и называют цилиндром. Зная все приведенные размеры, нетрудно определить емкость накопителя. Умножение числа сторон на число дорожек, расположенных на одной стороне, и на число секторов, имеющихся на дорожке, дает общее число секторов. В результате умножения этого числа секторов на число байтов в секторе (512) получается полная емкость диска.

Любой диск всегда разделен на две части: небольшую системную область, в которой содержится служебная информация о диске, и область данных, в которой хранятся программы и данные. Системная область составляет два процента емкости гибкого диска и несколько десятых долей процента емкости жесткого диска.

Системная область состоит из трех частей: загрузочной записи (блока начальной загрузки), таблицы размещения файлов FAT (сокращение английских слов File Allocation Table) и корневого каталога.

Загрузочная запись

Загрузочная запись в единственном секторе содержит очень короткую программу (длиной всего несколько сотен байтов), которая инициирует загрузку операционной системы (ОС) в память ЭВМ.

Процедура запуска ЭВМ называется загрузкой. Программа загрузочной записи инициирует процесс запуска ОС с диска, считывая в память первую часть программы ОС. Загрузочная запись имеется на всех дисках включая и те, на которых отсутствуют файлы ОС. В загрузочной записи хранится информация о версии ОС, числе байтов в секторе, числе секторов на дорожке, размерах элементов FAT и другая информация.

Таблица размещения файлов

ОС должна следить за большой областью данных на диске, отмечая, какие ее участки заняты, а какие свободны. Для регистрации состояния каждого участка диска используется таблица размещения файлов FAT.

В отличие от магнитных лент магнитные диски позволяют записывать информацию в произвольном месте диска. Чтобы это можно было делать, диск разбит на секторы - элементарные ячейки памяти. В любом случае файл не может занять менее одного сектора. Обычно содержимое файла записывается в несколько секторов, причем необязательно расположенных последовательно друг за другом.

С ростом емкости жестких дисков возникла проблема, связанная с тем, что на жестких дисках оказалось слишком много секторов для эффективной работы файловой системы. Из этого положения вышли введением такого понятия, как кластер. Кластер - это группа секторов, выделяемая файлу как единое целое. Обычно кластер содержит число секторов, являющееся степенью двойки, например, 2, 4, 8, 16, 32 и 64. Размер кластера зависит от емкости диска и может соответствовать одному (для дискет размером 3.5 дюйма) или нескольким десяткам секторов (для жестких дисков емкостью 2 Гбайт 64 сектора составляют один кластер). Чем больше секторов приходится на один кластер, тем большее минимальное пространство выделяется одному файлу.

16-разрядная FAT, организующая хранение файлов, позволяет иметь на диске не более чем 65535 кластеров (216), каждый из которых может состоять не более чем из 64 секторов. Таким образом, максимальный объем единого жесткого диска, поддерживаемого 16-разрядной файловой системой FAT 16, равен двум гигабайтам, и при этом на один кластер приходится 32 Кбайт. А это значит, что даже самый маленький файл неминуемо расходует 32 килобайта дискового пространства, из-за чего 25 % объема диска является фактически свободным.

Этого недостатка лишена 32-разрядная файловая система FAT 32, которая может поддерживать диски объемом до 4 терабайт (то есть, предельный объем увеличен в 2000 раз). Для дисков меньшей емкости она выделяет файлам кластеры, содержащие количество секторов намного меньше максимального значения.

В зависимости от размера диска длина элементов FAT составляет от 12 (для дискет) до 32 битов (для жестких дисков). Чем длиннее элемент FAT, тем за большим числом кластеров может следить ОС и следовательно поддерживать диски большой емкости.

Таким образом, распределением памяти управляет FAT, представляющая собой таблицу чисел с элементом для каждого кластера на диске. Число в элементе FAT показывает, занят ли кластер или свободен для записи и хранения новых данных. Ноль в элементе FAT означает, что кластер свободен, а любое другое число показывает, что он занят.

Поскольку файл данных может быть больше размера кластера, число в FAT используется для связывания кластеров, содержащих данные одного файла.

FAT является наиболее критичной частью диска и требует максимальной защиты. Поэтому на любом диске имеются две копии FAT. При работе с диском используется только первая копия, а вторая является резервной и используется для восстановления поврежденных дисков. Время от времени ОС контролирует идентичность копий FAT. Если они не идентичны - фиксируется ошибка.

Размер каждой из двух FAT дискет размером 3.5 дюйма и емкостью 1.44 Мбайт занимает 9 секторов. На жестком диске каждая FAT может занимать до 256 секторов.

При удалении файла с диска его имя удаляется из элемента FАT, что означает освобождение выделенного файлу пространства на диске, хотя содержимое файла из области данных не стирается. За счет этого возможно восстановление информации в случае ошибочного ее удаления с диска, но только до момента записи на это место диска новой информации.

Корневой каталог

Последней частью системной области диска является корневой каталог, то есть встроенное оглавление содержащихся на диске файлов. На диске можно создавать и подкаталоги, но они являются необязательной частью диска и создаются по мере необходимости.

Корневой каталог обязательно имеется на каждом диске. Этот каталог регистрирует хранимые на диске файлы. Для каждого файла имеется элемент каталога, в котором хранится 8-байтовое имя и трехбайтовое расширение файла, его размер, время и дата создания или последнего изменения, а также номер кластера, в котором находится первая часть файла и атрибуты файла (системный, архивный, защищенный от записи и т. д.).

Размер каталога фиксирован. Он определяет, сколько элементов для файлов может содержать корневой каталог. Каждый элемент каталога занимает 32 байта, поэтому в одном секторе помещается 16 элементов. На диске размером 3.5 дюйма и емкостью 1.44 Мбайт для корневого каталога выделено 14 секторов, поэтому на нем имеется место для *14) имен файлов. Для корневого каталога жестких дисков выделяется не менее 32 секторов и число элементов равно 512 и более. Для подкаталогов никаких ограничений нет, так как они хранятся в области данных диска и могут иметь любые размеры. Благодаря подкаталогам снимается ограничение на число файлов, которые могут храниться на диске.

Ранее отмечалось, что для сцепления участков, в которых хранится файл, применяется FAT. Элемент каталога каждого файла имеет поле, содержащее номер кластера, в котором хранится первая часть данных файла. В таблице FAT для каждого кластера отведен элемент, содержащий число, являющееся номером кластера, хранящего следующую часть файла. Элемент FAT для последнего кластера файла содержит специальное кодовое число, отмечающее конец файла. Таким образом, элементы FAT сцепляются, что позволяет ОС следить за расположением на диске содержимого всего файла.

Область данных

Область данных предназначена для хранения содержимого дисковых файлов. Данные каждого файла занимают один или несколько кластеров, а какие именно кластеры и в каком порядке заняты файлом, регистрирует FAT. ОС пытается разместить данные файла в соседних кластерах, но после множества операций считывания и записи содержимое файла может оказаться разбросанным по всему диску.

Когда слишком много файлов разбросано отдельными кусками по всей поверхности диска, диск называется фрагментированным. В случае сильной фрагментации дисковые операции замедляются, так как ОС должна постоянно перемещать головку считывания/записи из одной позиции в другую. Существуют специальные программы, устраняющие фрагментацию дисков.

Так как секторы файлам выделяются кластерами, то обычно имеется некоторое неиспользуемое пространство в последнем секторе файла и даже незанятые секторы в конце последнего кластера.

2. Постоянные запоминающие устройства

ПЗУ предназначены для хранения не меняющейся информации, такой как таблицы функций, констант и т. п. Программное обеспечение вычислитель­ных устройств робототехнических систем авиационного вооружения в отли­чии от универсальных ЭВМ не изменяется в процессе эксплуатации и поэто­му хранится в ПЗУ. В связи с этим емкость ПЗУ в таких вычислительных устройствах превышает емкость ОЗУ.

Основное требование к ПЗУ - долговременность хранения информации и

Современные ПЗУ выполняются по интегральной технологии на полу­проводниковых элементах и практически вытеснили трансформаторные и ди­одные ПЗУ. Структурная схема ПЗУ представлена на рис. 4. Считывание информации из ПЗУ выполняется аналогично считыванию информации из ОЗУ.

Рисунок 4 Структурная схема ПЗУ

БМУ

Блок дешифрации адреса

Блок считывания

Накопитель

В некоторых вычислительных устройствах робототехнических систем авиационного вооружения используются перепрограммируемые ПЗУ на осно­ве матрицы МОП-транзисторов. Такая матрица способна длительное время хранить заряд, образующий заданный код. Стирание информации осуществ­ляется внешним воздействием, например ультрафиолетовым цветом. При стирании информации на микросхему ПЗУ через прозрачную крышку пода­ется излучение высокой интенсивности с длинной волны менее 400 мкм, по­сле чего во всех разрядах такой микросхемы устанавливается логическая единица. Запись информации производится путем подачи на информационные входы цифрового кода, подлежащего хранению и повышенного напря­жения на вход, разрешающий запись информации.

Постоянные запоминающие устройства на компакт-дисках

ПЗУ на компакт дисках, называемых CD-ROM получили широкое распространение благодаря большой их емкости и простоте изготовления.

Кроме CD-ROM существуют еще два вида оптической памяти : память с однократной записью и многократным считыванием и магнитооптическая память, обеспечивающие обе операции - запись и считывание.

Работа всех устройств оптической памяти опирается на лазерную технологию. Лазер представляет собой сильно сфокусированный и точно управляемый световой луч. В зависимости от вида технологии луч лазера можно использовать для записи данных на специальный носитель или для считывания ранее записанных данных.

Компакт-диск сделан из полимерного материала (на основе поликарбона­тов) и покрыт тонким слоем металла (обычно одним из сплавов алюминия). Информация считывается именно с этой металлической пленки. Поверх алюминия наносится еще один слой полимерного покрытия (лака), защи­щающего металл (и, соответственно, записанные на диске данные) от повре­ждений Считывание информации осуществляется с нижней поверхности диска так как CD-ROM является односторонним носителем информации.

Данные записываются на диск путем выжигания участков поверхности диска сфокусированным лучом лазера. Глубина выжженного участка состав­ляет 0.12 мкм, диаметр - около 0.6 мкм.

Считывание информации с диска происходит за счет регистрации изме­нений интенсивности отраженного от алюминиевого слоя излучения лазера. Оно поступает на фотодатчик, величина электрического сигнала с которого зависит от того, отразился ли луч от гладкой зеркальной поверхности или был рассеян выжженным участком.

Достоинства оптической технологии - плотность записи и целостность хранения данных. Поскольку поверхности диска касается только световой луч, а сам носитель почти не подвергается воздействию влаги и температу­ры, записанная на оптический диск информация может хранится неограниченное время.

Высокая надежность оптической технологии обеспечивается тем, что го­ловка считывания находится в нескольких миллиметрах от поверхности дис­ка. К примеру, магнитные головки считывания/записи располагаются при­мерно в 2000 раз ближе к поверхности жесткого магнитного диска и поэто­му даже микроскопические изъяны на поверхности диска или частицы пы­ли могут вывести из строя магнитные головки или участок диска.

В оптических дисководах даже если в силу каких-либо обстоятельств го­ловка считывания коснется поверхности оптического диска, вероятность по-1ери данных минимальна из-за того, что данные на диске CD-ROM изолиро­ваны защитным слоем пластика. Когда лазер освещает диск для сбора дан­ных, он считывает информацию не с внешней поверхности диска, где име­ются крошечные царапины и пыль, а заглядывает сквозь такие помехи внутрь и принимает сигналы, отраженные от металлической поверхности диска.

Недостаток CD-ROM дисков - невозможность их перезаписи. Толщина CD-ROM дисков 1.2 мм, а диаметр 120 мм. Расстояние между дорожками составляет 1.6 мкм, что соответствует плотности 16000 дорожек на дюйм (у дискет плотность дорожек составляет 135 дорожек на дюйм). В результате получается жесткий оптический диск, который может хранить не менее 650 Мбайт данных, предназначенных только для чтения.

Данные на CD-ROM дисках записываются начиная с самых коротких дорожек (ближайших к центру) Данные записываются отдельными секто­рами. Каждый сектор содержит 2048 байтов данных. Видео и аудио ин­формация записывается поочередно.

Дисководы CD-ROM дисков обладают различной производительностью, которая зависит от скорости передачи и времени доступа к данным, наличия и емкости внутренних буферов и типа используемого интерфейса.

Скорость передачи данных показывает, какое количество данных может быть передано из накопителя в ЭВМ при считывании единого и достаточно большого информационного блока. Скорость передачи данных измеряется в килобайтах в секунду (Кбайт/с). Для сообщения о скорости чтения данных обычно указывают, во сколько раз дисковод передает данные быстрее, чем дисководы для аудиокомпакт-дисков. Стандартная скорость передачи дан­ных с аудиокомпакт-диска - 150 Кбайт/с. Дисковод, способный работать с такой скоростью, называется односкоростным. Современные дисководы спо­собны передавать данные с более высокими скоростями, но кратными той, что принята для односкоростных дисководов. Обозначение дисковода - 32х - говорит о том, что этот дисковод может работать с 32-кратной скоростью и передавать в секунду 4800 Кбайт данных. Для сравнения можно отметить, что скорость чтения информации с дискет составляет от 20 до 40 Кбайт/с.

Время доступа к данным равняется задержке между получением команды и моментом считывания первого бита данных. Время доступа измеряется в милисекундах.

В дисководах CD-ROM имеются встроенные буферы. Эти буферы пред­ставляют из себя обычное ОЗУ, устанавливаемое на плате дисковода, и в них в процессе считывания можно предварительно накапливать достаточно большие блоки данных. Благодаря буферу, данные в ЭВМ могут передавать­ся в более или менее постоянном темпе. Например, если запрашиваемые дан­ные разбросаны по нескольким участкам диска, то без буфера, из-за задер­жек в при поиске очередной порции информации, они передаются в другие устройства ЭВМ фрагментами. Такие паузы при воспроизведении видео и аудио информации вызывают определенные неудобства для пользователя.

Под интерфейсом накопителя подразумевается способ его взаимодействия (электрически и программно) с общей шиной или, иначе говоря, метод "перекачки" данных с CD-ROM в ОЗУ, которые отличаются различной про­изводительностью и соответственно стоимостью.

Накопители на DVD - дисках

Дальнейшим развитием технологии записи и считывания информации с помощью лазерного луча явилась технология производства накопителей для записи и чтения DVD - дисков (цифровой универсаль­ный диск).

Накопители DVD идут на смену накопителям CD-ROM. Современные DVD - диски имеют такие же размеры и форму, как стандартные CD-ROM-диски, но их информационная емкость намного выше. На один DVD-диск, первого поколения емкостью 4.7 Гбай можно записать в цифровых кодах полнометражный художественный фильм. Емкость DVD-дисков второго по­коления возросла до 17 Гбайт и это не предел. DVD-накопители совместимы с аудиокомпакт-дисками и стандартными дисками CD-ROM, то есть могут с них считывать информацию.

Высокая емкость DVD-дисков достигается за счет уменьшения длины волны лазерного луча и использования технологии создания двухслойных двусторонних дисков. Более короткая длина волны лазерного луча позволяет формировать более узкие дорожки и размещать данные на диске с более вы­сокой плотностью. Технология двухслойных двусторонних дисков позволяет дорожки с информацией располагать на разных уровнях обеих сторон диска. При считывании информации лазерный луч фокусируется на них по очереди. Еще ряд технологических новинок позволили создать DVD-диски, пред­назначенные не только для многократного считывания, но и многократной записи информации.

Накопители на магнитооптических дисках

Магнитооптические диски относятся к долговременным ЗУ. В магнитооп­тических накопителях при записи информации на диск одновременно воз­действует магнитное поле и лазерное излучение. Сам носитель по внешнему виду похож на CD-ROM. На алюминиевую основу сначала нанесено поли­мерное покрытие, а затем - магнитный слой на основе порошка из сплава ко­бальта, железа и тербия. Сверху нанесен еще один защитный слой из про­зрачного полимера, благодаря которому диск в отличие от дискет становится невосприимчивым к ударам, загрязнению и прочим неблагоприятным воз­действиям.

В процессе записи магнитооптических дисков лазерный луч фокусируется на поверхности носителя в пятно очень малого размера. Поверхность носите­ля в этой точке, где сфокусирован луч, нагревается. Если в этот момент в об­ласти пятна существует слабое магнитное поле, то нагретый участок намаг­ничивается определенным образом и после остывания сохраняет эту намаг­ниченность. Это и означает запись одного бита данных.

В отличие от CD-ROM данные на магнитооптический диск можно запи­сывать неограниченное количество раз, поскольку никаких необратимых процессов в носителе информации не происходит. Стирание данных выпол­няется также путем нагрева лазером требуемых дорожек диска и размагничи­вания их внешним полем. Считывание данных с диска происходит также с помощью лазера, но при этом мощность его излучения снижается, становясь недостаточной для разогрева рабочего слоя, а внешнее магнитное поле не прикладывается.

Благодаря очень узким дорожкам, плотность размещения данных на магнитооптических дисках исключительно высокая. Емкость таких дисков составляет 1 Гбайт и более.

Память с однократной записью и многократным считыванием из-за быстрого развития и низкой стоимости технологии магнитооптической записи дисков широкого распространения не получила.