ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА БОЛЬШОЙ ЕМКОСТИ.docx

ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА БОЛЬШОЙ ЕМКОСТИ

В связи с невозможностью постоянного хранения данных и ограниченным объемом основной памяти компьютера большинство машин обеспечивается устройствами дополнительной памяти, которые называются массовой памятью, или запоминающими устройствами большой емкости (mass storage system). Преимущества таких устройств, по сравнению с ос- новной памятью компьютера, состоят в долговременности хранения данных, большей емкости и, в большинстве случаев, автономности, т.е. возможности извлечения носителя информации из машины, например в целях архивирования.

Основным недостатком устройств массовой памяти является то, что они обычно требуют механических перемещений носителя или устройства считывания. Поэтому время доступа к информации у этих устройств существенно больше по срав- нению с основной памятью машины, которая является электронной.

Магнитные диски. Одним из наиболее распространенных типов запоминающих устройств большой емкости, приме- няемых в наше время, являются устройства, которые используют в качестве носителя информации магнитные диски (mag- netic disk). Устройства считывания – головки чтения/записи (headers) – размещаются над и/или под диском таким образом, что во время вращения диска каждая головка описывает над ним круг, называемый дорожкой (track), расположенной на верхней и/или нижней поверхности диска. Перемещая головки чтения/записи над поверхностью диска, можно получить дос- туп к различным концентрическим дорожкам. Чаще всего дисковая система памяти состоит из нескольких дисков, смонти- рованных на общей оси и расположенных друг над другом. Между дисками оставляется пространство, достаточное для пе- ремещения головок чтения/записи между пластинами. Все головки чтения/записи в этом случае двигаются как единое целое. При каждом перемещении головок становится доступной новая группа дорожек, которую принято называть цилиндром (cyl- inder).

Так как дорожка может содержать больше информации, чем обычно требуется одновременно обрабатывать, все дорож- ки поделены на зоны, или секторы (sectors), в которых информация записывается в виде непрерывной последовательности битов (рис. 1.7). Каждая дорожка внутри дисковой системы содержит одинаковое количество секторов, а каждый сектор, в свою очередь, – одинаковое число двоичных разрядов. (Это означает, что в секторах, которые находятся ближе к центру диска, биты данных размещаются более компактно, по сравнению с дорожками, расположенными ближе к внешнему краю.)

Таким образом, мы выяснили, что дисковое запоминающее устройство состоит из множества отдельных секторов, каж- дый из которых

Рис. 1.7. Дисковое запоминающее устройство

может быть независимо считан как одна строка битов. Количество дорожек на поверхности диска, а также количество секто- ров на дорожках могут значительно отличаться в разных дисковых устройствах. Размеры секторов обычно не превышают нескольких килобайт. Чаще всего размер сектора составляет 512 или 1024 байта.

Расположение дорожек и секторов не является постоянной характеристикой, зафиксированной в физической структуре диска. На самом деле они маркируются магнитным способом с помощью процесса, который называется форматированием (formatting) (или инициализацией) диска. Этот процесс обычно осуществляется той фирмой, которая производит дисковые устройства, и на рынок поступают уже отформатированные диски. Большинство компьютерных систем тоже могут форма- тировать диски. Поэтому в случае повреждения формата диска он может быть переформатирован, однако это приведет к уничтожению всей информации, которая прежде была записана на данном устройстве.

Емкость дисковых устройств зависит от числа используемых в нем дисковых пластин, а также от плотности размеще- ния дорожек и секторов на их поверхности. Дисковые системы малой емкости состоят из единственного пластикового диска, который называется дискетой, или гибким диском (floppy disk). (Современные гибкие диски размером 3¹/₂ дюйма имеют же- сткие пластиковые корпуса, а не гибкие упаковки, в отличие от своих более старых аналогов диаметром 5¹/₄ дюйма, которые упаковывались в бумажные конверты.) Дискеты легко вставляются и вынимаются из устройств, а также достаточно удобны в хранении. Поэтому они часто используются как автономные хранилища информации. Универсальная дискета размером 3¹/₂ дюйма имеет емкость, достаточную для хранения 1,44 Мбайт информации. Однако существуют и дискеты с существенно большей емкостью. Примером может служить дисковое устройство типа Zip компании Iomega Corporation, где на одной же- сткой дискете может записываться несколько сотен мегабайт информации.

Дисковые системы большой емкости способны хранить многие гигабайты информации. Такие устройства включают от пяти до десяти жестких дисковых пластин, смонтированных на общей оси. Поскольку используемые в таких устройствах диски являются жесткими, их называют системами с жестким диском (hard disk), в отличие от гибких дисков, обсуждав- шихся выше. Чтобы увеличить скорость вращения дисков, головки чтения/записи в таких системах размещены так, что они не соприкасаются с поверхностью диска, а как бы "плавают" над поверхностью с магнитным покрытием. Расстояние между головкой и диском настолько мало, что даже отдельная частица пыли может застрять между ними и вызвать их повреждение (явление, известное как разрушение головки). Поэтому устройства жестких дисков герметически упаковывают в коробки и запечатывают непосредственно на том предприятии, где они изготовляются.

Для оценки производительности дисковой системы используется несколько параметров:

1)     время установки (seek time) – время, которое требуется для перемещения головки чтения/записи с одной дорожки на другую;

2)     задержка вращения (rotation delay), или время ожидания (latency time) – половина времени, за которое совершается полный оборот диска, что составляет среднее время, необходимое для того, чтобы нужные данные появились под головкой чтения/записи после того, как она разместится над выбранной дорожкой;

3)     время доступа (access time) – сумма времени установки и времени ожидания;

4)     скорость передачи (transfer rate) – скорость, с которой данные могут передаваться дисковому устройству или считы- ваться с него.

Устройства с жесткими дисками имеют намного лучшие характеристики в сравнении с устройствами, использующими гибкие диски. Так как головки чтения/записи не соприкасаются с поверхностью жесткого диска, скорость вращения достига- ет от 3000 до 7000 оборотов в минуту, тогда как скорость вращения гибких дисков составляет только 300 оборотов в минуту. Поэтому устройства с жесткими дисками имеют более высокую скорость передачи, измеряемую обычно в мегабайтах в се- кунду, тогда как скорость передачи данных гибких дисков измеряется в килобайтах в секунду.

Поскольку работа дисковых устройств требует физического перемещения носителя, жесткие и гибкие диски проигры- вают в скорости по сравнению с электронными схемами. Это неудивительно, так как задержки в электронных схемах изме- ряются в наносекундах (миллиардная доля секунды) и меньше, тогда как время установки, ожидания и доступа дисковых устройств измеряется в миллисекундах (тысячная доля секунды). Таким образом, время, требуемое для считывания инфор- мации с дисковых устройств, кажется просто вечностью в сравнении со скоростью работы электронных схем.

Компакт-диски. Еще одной популярной технологией хранения данных является использование компакт-дисков (com- pact disk – CD). Это диски диаметром 12 сантиметров (около 5 дюймов), изготовленные из отражающего материала, покры- того прозрачным защитным слоем. Информация записывается посредством создания изменений на отражающей поверхно- сти диска и считывается с помощью лазерного луча, который отслеживает неравномерности на отражающей поверхности диска во время его вращения.

Технология изготовления компакт-дисков изначально применялась в производстве аудиозаписей с использованием формата, известного как CD-DA (compact disk digital audio – компакт-диск с цифровой звукозаписью). Компакт-диски, ис- пользуемые в настоящее время для хранения компьютерных данных, похожи на своих аудио предшественников, за исклю- чением того, что для них применяется формат CD-ROM (compact disk – read only memory или компакт-диск – постоянное запоминающее устройство). Различие между форматами CD-DA и CD-ROM состоит в способе интерпретации полей данных. Например, в формате CD-DA определенные поля предназначены для хранения информации о времени воспроизведения, то- гда как в формате CD-ROM это пространство используется для хранения произвольных данных.

В отличие от устройств с магнитными дисками, где запись данных осуществляется на концентрических дорожках, ин- формация на компакт-дисках записывается на единственной дорожке, которая закручивается спиралью на поверхности диска подобно желобку на старых грампластинках. (Но в отличие от старых грампластинок дорожка на компакт-диске записывает- ся в направлении от центра к краю.) Эта дорожка разделена на части, которые называют секторами (рис. 1.8). Секторы со- держат одинаковое количество данных, и у каждого есть своя личная маркировка. Сектор в формате CD-ROM содержит 2 кбайт информации, а сектор того же размера в формате CD-DA содержит данные, обеспечивающие воспроизведение музыки в течение 1/75 секунды.

Компакт-диск

Данные записываются на одну спиральную дорожку, состоящую из отдельных секторов

Движение диска

Рис. 1.8. Особенности хранения данных на компакт-дисках

Обратите внимание, что длина одного оборота спиральной дорожки увеличивается по направлению от внутренней час- ти диска к внешней. Из соображений увеличения емкости компакт-диска информация записывается с одной и той же линей- ной плотностью по всей длине спиральной дорожки. Это означает, что на витке во внешней части спирали хранится большее количество информации, чем на витке в ее внутренней части. Поэтому за один оборот диска будет считываться больше сек- торов, когда лазерный луч сканирует внешнюю часть спиральной рожки, и меньше секторов, когда луч будет сканировать внутреннюю часть рожки. В результате, чтобы получить равномерную скорость пересылки данных, CD-плееры разрабаты- ваются таким образом, чтобы можно было изменять скорость вращения диска в зависимости от расположения лазерного лу- ча.

Благодаря подобным конструктивным решениям запоминающие системы с компакт-дисками имеют большую произво- дительность при работе с длинными, непрерывными строками данных, например при воспроизведении музыки. Однако если прикладной программе требуется произвольный доступ к данным (например, как в системе резервирования авиабилетов), подход, используемый в устройствах магнитных дисков (отдельные концентрические дорожки, каждая из которых содержит одинаковое количество секторов), оказывается эффективнее спирального метода записи, используемого в компакт-дисках.

Емкость компакт-диска в формате CD-ROM составляет немного более 600 Мбайт. Однако уже появились новые диско- вые форматы, например DVD (Digital Versatile Disk – цифровой универсальный диск). В этом формате емкость каждого носи- теля составляет порядка 10 Гбайт. На таких компакт-дисках можно хранить мультимедиа-презентации, в которых аудио- и видеоинформация комбинируется в целях более интересной и содержательной дачи материала. Главная задача разработки стандарта DVD состоит в представлении инструментальных средств для записи на компакт-диски полнометражных кино- фильмов.

Еще одним вариантом в технологии компакт-дисков является формат CD-WORM (Compact Disk – Write Once, Read Many или компакт-диск с однократной записью и многократным считыванием). Он позволяет записывать данные на ком- пакт-диск после его изготовления, а не во время этого процесса. Эти устройства чрезвычайно удобны для архивирования, а также для производства записей на компакт-дисках в небольших количествах.

Магнитная лента. В более ранних типах запоминающих устройств большой емкости используется магнитная лента (magnetic types) (рис. 1.9). В этом случае информация записывается на магнитное покрытие тонкой пластиковой ленты, кото- рая для хранения наматывается на бобину. Чтобы получить доступ к записанным на ней данным, магнитная лента устанав- ливается на устройство, называемое лентопротяжным механизмом. Это устройство позволяет считывать, записывать и пере- матывать магнитную ленту под управлением компьютера. По своим размерам лентопротяжные механизмы могут варьиро- ваться от небольших кассетных блоков, называемых стриммерами (в них применяются кассеты, подобные видеокассетам), до более старых и громоздких катушечных устройств.

В современных стриммерных устройствах лента разделена на сегменты, которые маркируются магнитным способом в процессе форматирования (данный способ подобен методу, применяемому для дисковых носителей информации). Каждый

из сегментов содержит несколько дорожек, расположенных вдоль ленты параллельно друг другу. К каждой такой дорожке доступ можно получить независимо от других. Это означает, что лента в сущности состоит из совокупности отдельных строк битов, напоминающих секторы на диске.

Основным недостатком стриммерных устройств является то, что для доступа к информации может потребоваться дос- таточно много

Рис. 1.9. Запоминающее устройство на магнитной ленте

времени, поскольку это связано с перемоткой ленты с одной бобины на другую. Поэтому лентопротяжные устройства харак- теризуются существенно большим временем доступа к информации, чем устройства с магнитными дисками, в которых для доступа к различным секторам достаточно короткого перемещения головки чтения/записи. Именно по этой причине ленто- протяжные устройства не приобрели широкой популярности в качестве основных носителей информации. Однако если речь идет об архивировании данных, то большая емкость, надежность и невысокая стоимость ленточных устройств позволяют считать их хорошим выбором среди прочих современных устройств хранения данных.

Сохранение и считывание файлов. Информация в массовой памяти хранится в виде больших именованных блоков, которые принято называть файлами (files). Типичный файл может содержать некоторый текстовый документ, фотографию, программу или совокупность данных о персонале какой-либо компании. Физические особенности устройств массовой памя- ти требуют, чтобы файлы сохранялись и считывались отдельными блоками из большого количества байтов. Например, каж- дый сектор на магнитном диске должен обрабатываться как одна непрерывная строка битов. Блок данных, соответствующий физическим характеристикам запоминающего устройства, называется физической записью (physical record). Поэтому файл, записанный в массовую память, обычно состоит из множества физических записей.

Помимо разделения на физические записи, любой файл обычно подразумевает некоторое естественное разграничение представленной в нем информации. Например, файл с информацией о персонале компании будет состоять из множества элементов, каждый из которых содержит сведения об отдельном человеке. Такие блоки данных, естественным образом обра- зующиеся при создании файла, называют логическими записями (logical records).

Размер логической записи редко совпадает с размером физической записи, который определяется типом устройства массовой памяти. Поэтому несколько логических записей могут помещаться в одну физическую запись, и наоборот, логиче- ская запись при необходимости может разделяться на несколько физических (рис. 1.10). В результате считывание данных файла с устройства массовой памяти обычно связано с восстановлением его логических записей из физических. Типичный способ решения этой проблемы состоит в выделении некоторой области основной памяти, достаточно большой для разме- щения нескольких физических записей файла, и использовании ее в качестве промежуточного хранилища для перегруппи- ровки информации. В результате обмен данными между этой промежуточной областью и устройством массовой памяти мо- жет осуществляться блоками данных, соответствующими физическим записям, тогда как для программ находящаяся в

Рис. 1.10. Представление логических и физических записей на диске

основной памяти информация может быть представлена в виде логических записей. Используемая подобным образом об- ласть основной памяти называется буфером (buffer).

Использование буфера поясняет относительную роль основной и массовой памяти в системе. Основная память исполь- зуется для хранения данных в целях их обработки, тогда как массовая память является постоянным хранилищем информа- ции. Таким образом, обновление сохраняемой в массовой памяти информации предполагает передачу информации в основ- ную память, изменение ее, а затем возврат обновленной информации в массовую память.

Можно сделать заключение, что основная память, магнитные диски, компакт-диски и магнитная лента представляют различные уровни возможности прямого доступа к данным в порядке ее уменьшения. Используемая в основной памяти сис- тема адресации допускает быстрый произвольный доступ к отдельным байтам данных. Магнитные диски обеспечивают прямой доступ только к целым секторам данных. Кроме того, время, затрачиваемое на считывание сектора, включает также

время установки и время ожидания. Компакт-диски тоже поддерживают произвольный доступ к отдельным секторам, одна- ко величина задержки для компакт-дисков значительно больше по сравнению с магнитными дисками. Это обусловлено тем, что в этом случае требуется дополнительное время для того, чтобы найти спиральную дорожку и настроить скорость враще- ния диска. Наконец, устройства с магнитной лентой не позволяют получать прямой доступ к информации. Современные лентопротяжные системы маркируют фрагменты ленты, что позволяет ссылаться на различные сегменты по отдельности, однако сама физическая организация данных обуславливает то, что поиск сегмента потребует достаточно много времени.

Вопросы для самопроверки

1.    Какие преимущества дает устройствам с жестким диском большая скорость вращения диска по сравнению с гибким диском?

2.    При записи информации на устройство дисковой памяти с несколькими дисковыми пластинами следует ли сначала использовать всю поверхность одной дисковой пластины, прежде чем приступить к записи на поверхность другой пластины, или же целесообразнее осуществить запись на всем цилиндре, прежде чем переходить к следующему?

3.    Почему информация в системе резервирования авиабилетов, которая подвержена постоянному обновлению, должна храниться на магнитном диске, а не на ленточном устройстве?

4.    Предположим, что логические записи длиной 450 байт должны храниться на диске, размер секторов которого со- ставляет 512 байт. Приведите аргумент в защиту решения о размещении только одной логической записи в каждой физиче- ской записи, даже несмотря на то, что 62 байта в каждом секторе останутся свободными.