Оглавление. 

 

Введение 

     Помимо  оперативной памяти, компьютеру необходима дополнительная память для долговременного  размещения данных. Такие устройства называются ВЗУ (внешние запоминающие устройства). Различные способы хранения и записи информации служат для разных целей.

     На  сегодняшний день не существует универсального ВЗУ, которое может быть использовано как постоянное и переносное одновременно, и при этом быть доступным рядовым  пользователям. Информацию необходимо сохранять на носителях, не зависящих от наличия напряжения, и таких размеров, которые превышают возможности всех современных видов первичной памяти. Сравнительно долговременное хранилище данных, расположенное вне системной платы компьютера, называется вторичным хранилищем данных (secondary storage). Внешняя (долговременная) память — это место длительного хранения данных (программ, результатов расчётов, текстов и т.д.), не используемых в данный момент в оперативной памяти компьютера. Внешняя память, в отличие от оперативной, является энергонезависимой. Носители внешней памяти, кроме того, обеспечивают транспортировку данных в тех случаях, когда компьютеры не объединены в сети (локальные или глобальные). Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя (устройства, обеспечивающего запись и (или) считывание информации) и устройства хранения — носителя.

      В своей работе я рассмотрю следующие  запоминающие устройства: жесткий диск, гибкий диск, магнитные ленты, флэш-карты памяти, оптические: CD, DVD,  и новейшие запоминающие устройства.

 

1 Хранение данных на магнитных носителях

 

Практически во всех персональных компьютерах информация хранится на носителях, использующих магнитные  или оптические принципы. При использовании магнитных устройств хранения двоичные данные “превращаются” в небольшие металлические намагниченные частички, расположенные на плоском диске или ленте в виде “узора”. Этот магнитный “узор” впоследствии может быть расшифрован в поток двоичных данных.

1.1 История развития устройств хранения данных на магнитных носителях

 

Долгое  время основным устройством хранения данных в компьютерном мире были перфокарты. И только в 1949 году группа инженеров  и исследователей компании IBM приступила к разработке нового устройства хранения данных. Именно это и стало точкой отсчета в истории развития устройств магнитного хранения данных, которые буквально взорвали компьютерный мир. 21 мая 1952 года IBM анонсировала модуль ленточного накопителя IBM 726 для вычислительной машины IBM 701. Четыре года спустя, 13 сентября 1956 года, небольшая команда разработчиков все той же IBM объявила о создании первой дисковой системы хранения данных — 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Эта система могла хранить 5 млн символов (5 Мбайт!) на 50 дисках диаметром 24 дюйма (около 61 см). В отличие от ленточных устройств хранения данных, в системе RAMAC запись осуществлялась с помощью головки в произвольное место поверхности диска. Такой способ заметно повысил производительность компьютера, поскольку данные записывались и извлекались намного быстрее, чем при использовании ленточных устройств. 

Устройства  магнитного хранения данных прошли путь от RAMAC до современных жестких дисков емкостью 75 Гбайт и размером 3,5 дюйма. Практически все устройства магнитного хранения данных были созданы в исследовательских центрах IBM; например, команда разработчиков под руководством Алана Шугарта (Alan Shugart) в 1971 году представила накопитель на гибких дисках диаметром 8 дюймов. Кроме того, IBM впервые разработала схемы кодирования данных MFM (Modified Frequency Modulation) и RLL (Run Length Limited), головки накопителей — тонкопленочные и семейство магниторезистивных, технологии накопителей — PRML (Partial Response Maximum Likelihood) и S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology). 

 

1.2 Как магнитное поле используется для хранения данных

 
 

В основе работы магнитных носителей —  накопителей на жестких и гибких дисках — лежит электромагнетизм. Суть его состоит в том, что  при пропускании через проводник электрического тока вокруг него образуется магнитное поле. 

Это поле воздействует на оказавшееся в нем  ферромагнитное вещество. При изменении  направления тока полярность магнитного поля также изменяется. Явление электромагнетизма используется в электродвигателях для генерации сил, воздействующих на магниты, которые установлены на вращающемся валу. 

Однако  существует и противоположный эффект: в проводнике, на который воздействует переменное магнитное поле, возникает  электрический ток. При изменении полярности магнитного поля изменяется и направление электрического тока . 

Головка чтения/записи в любом дисковом накопителе состоит из U-образного ферромагнитного  сердечника и намотанной на него катушки (обмотки), по которой может протекать электрический ток. При пропускании тока через обмотку в сердечнике (магнитопроводе) головки создается магнитное поле. При переключении направления протекающего тока полярность магнитного поля также изменяется. В сущности, головки представляют собой электромагниты, полярность которых можно очень быстро изменить, переключив направление пропускаемого электрического тока. 

Магнитное поле в сердечнике частично распространяется в окружающее пространство благодаря  наличию зазора, “пропиленного” в  основании буквы U. Если вблизи зазора располагается другой ферромагнетик (рабочий слой носителя), то магнитное поле в нем локализуется, поскольку подобные вещества обладают меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух. Магнитный поток, пересекающий зазор, замыкается через носитель, что приводит к поляризации его магнитных частиц (доменов) в направлении действия поля. Направление поля и, следовательно, остаточная намагниченность носителя зависят от полярности электрического поля в обмотке головки. 

Гибкие  магнитные диски обычно делаются на лавсановой, а жесткие — на алюминиевой или стеклянной подложке, на которую наносится слой ферромагнитного материала. Рабочий слой в основном состоит из окиси железа с различными добавками. Магнитные поля, создаваемые отдельными доменами на чистом диске, ориентированы случайным образом и взаимно компенсируются на любом сколько-нибудь протяженном (макроскопическом) участке поверхности диска, поэтому его остаточная намагниченность равна нулю. 

Если  участок поверхности диска при  протягивании вблизи зазора головки подвергается воздействию магнитного поля, то домены выстраиваются в определенном направлении и их магнитные поля больше не компенсируют друг друга. В результате на этом участке появляется остаточная намагниченность, которую можно впоследствии обнаружить. Выражаясь научным языком, можно сказать: остаточный магнитный поток, формируемый данным участком поверхности диска, становится отличным от нуля.

1.3  Магнитные ленты

 

Магнитные ленты являются аналогом обычных  музыкальных кассет. Устройство, обеспечивающее работу с магнитной лентой, называется стримером. Стримеры представляют собой лентопротяжный механизм, аналогичный магнитофонному.  

Стримеры(Tape Drive)-Устройства хранения данных на магнитной  ленте, являются распространенным средством архивации данных. Они относятся к категории устройств хранения Off-Line, для них характерно очень большое время доступа, обусловленное последовательным методом доступа, средняя скорость обмена и большая емкость носителя - от сотен мегабайт до нескольких гигабайт. Существуют стандарты: QIC, TRAVAN, DDS, DAT  и DLT. Существуют стандарты: QIC, TRAVAN, DDS, DAT  и DLT. 

QIC (Quarter Inch Cartridge) отличается низким быстродействием,  так как подключается к интерфейсу  накопителей на гибких дисках. Существуют кассеты  объемом от 40 Мб до 13 Гб.  TRAVAN разработан на основе QIC, в зависимости от объема информации, на которую рассчитана кассета (400-4000 Мб) использует контроллер накопителя на магнитных дисках или SCSI-2 (для кассет объемом 4000 Мб). DSS (Digital Data Storage) и DAT (Digital Audio Tape) стандарты разработаны фирмой Sony  и используются для цифровой аудио и видео записи. DLT – самый современный стандарт, появился в середине 90-х годов. Накопители, использующие эту технологию, могут хранить 20-40 Гб данных. Суммарная емкость ленточных библиотек построенных на основе DLT-кассет может достигать 5 Тб. 

Стример относится к устройствам с последовательным доступом к информации и характеризуется гораздо меньшей скоростью записи и считывания информации по сравнению с дисководами.

Основное  назначение стримеров - создание архивов данных, резервного копирования, надежное хранение данных.

Информация  на лентах записывается последовательно  по дорожкам. Накопители на магнитных  лентах бывают рулонного и кассетного типов. Емкость современных стримеров может достигать нескольких гигабайт.

Последнее время находят применение новые  виды носителей информации: магнитооптические, диски Бернулли. Перспективными разработками в области носителей информации является создание носителей на основе голографии. При стандартных размерах носителей 3,5 и 5,25 дюйма объем информации расширяется до сотен мегабайт и даже нескольких гигабайт.

Итак, современный  персональный компьютер обязательно  использует дисковод гибкого диска  и дисковод жесткого диска. При необходимости доступа к большому количеству информации персональный компьютер оснащается дисководом с оптическим диском.

 

2 Накопители на жестких дисках

 

2.1 Что такое жесткий диск

 

Самым необходимым и в то же время  самым загадочным компонентом компьютера является накопитель на жестком диске. Как известно, он предназначен для хранения данных, и последствия его выхода из строя зачастую оказываются катастрофическими. Для правильной эксплуатации или модернизации компьютера необходимо хорошо представлять себе, что же это такое — накопитель на жестком диске. 

Основными элементами накопителя являются несколько  круглых алюминиевых или некристаллических  стекловидных пластин. В отличие  от гибких дисков (дискет), их нельзя согнуть; отсюда и появилось название жесткий диск (рис. 4). В большинстве устройств они несъемные, поэтому иногда такие накопители называются фиксированными (fixed disk). Существуют также накопители со сменными дисками, например устройства Iomega Zip и Jaz. 

2.2 Новейшие достижения

 

 Почти  за 20 лет, прошедших с того времени,  как жесткие диски стали привычными  компонентами персональных компьютеров,  их параметры радикально изменились. Чтобы дать некоторое представление  о том, как далеко зашел процесс  усовершенствования жестких дисков, приведем самые яркие факты. 

·        Максимальная емкость 5,25-дюймовых накопителей  увеличилась от 10 Мбайт (1982 год) до 180 Гбайт и больше для 3,5-дюймовых накопителей  половинной высоты (Seagate Barracuda 180). Емкость 2,5-дюймовых дисководов с высотой не более 12,5 мм, которые используются в портативных компьютерах, выросла до 32 Гбайт (IBM Travelstar 32GH). Жесткие диски объемом менее 10 Гбайт в современных настольных компьютерах практически не используются. 

·        Скорость передачи данных увеличилась от 85–102 Кбайт/с в компьютере IBM XT (1983 год) до 51,15 Мбайт/с в наиболее быстродействующих системах (Seagate Cheetah 73LP). 

·        Среднее время поиска (т.е. время  установки головки на нужную дорожку) уменьшилось от 85 мс в компьютере IBM XT (1983 год) до 4,2 мс в одном из самых быстродействующих на сегодняшний день дисководе (Seagate Cheetah X15). 

·        В 1982 году накопитель емкостью 10 Мбайт  стоил более 1500 долларов (150 долларов за мегабайт). В настоящее время, стоимость жестких дисков снизилась до половины цента за мегабайт. 
 
 

2.3 Принципы работы накопителей на жестких дисках

 

 В  накопителях на жестких дисках  данные записываются и считываются  универсальными головками чтения/записи  с поверхности вращающихся магнитных  дисков, разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый). 

В накопителях  обычно устанавливается несколько  дисков, и данные записываются на обеих  сторонах каждого из них. В большинстве  накопителей есть по меньшей мере два или три диска (что позволяет  выполнять запись на четырех или шести сторонах), но существуют также устройства, содержащие до 11 и более дисков. Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр. Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или стойке. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга и двигаются только синхронно. 

Жесткие диски вращаются намного быстрее, чем гибкие. Частота их вращения даже в большинстве первых моделей составляла 3 600 об/мин (т.е. в 10 раз больше, чем в накопителе на гибких дисках) и до последнего времени была почти стандартом для жестких дисков. Но в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла. Например, в портативном компьютере Toshiba диск объемом 3,3 Гбайт вращается с частотой 4 852 об/мин, но уже существуют модели с частотами 5 400, 5 600, 6 400, 7 200, 10 000 и даже 15 000 об/мин. Скорость работы того или иного жесткого диска зависит от частоты его вращения, скорости перемещения системы головок и количества секторов на дорожке. 

При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков. Но при выключении питания  и остановке дисков они опускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка “столкнется” с диском, вращающимся “на полном ходу”. Если удар будет достаточно сильным, произойдет поломка головки. Последствия этого могут быть разными — от потери нескольких байтов данных до выхода из строя всего накопителя. Поэтому в большинстве накопителей поверхности магнитных дисков легируют и покрывают специальными смазками, что позволяет устройствам выдерживать ежедневные “взлеты” и “приземления” головок, а также более серьезные потрясения.