Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. Этот вид памяти обладает большим объемом и маленьким быстpодействием. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:
В состав внешней памяти компьютера входят:
накопители на жёстких магнитных дисках;
накопители на гибких магнитных дисках;
накопители на компакт-дисках;
накопители на магнитной ленте (стримеры) ;
накопители на магнитно-оптических дисках;
Жесткий диск
Жесткий диск (накопители на жестких магнитных дисках, НЖМД) - тип постоянной памяти. В отличие от оперативной памяти, данные, хранящиеся на жестком диске, не теряются при выключении компьютера, что делает жесткий диск идеальным для длительного хранения программ и файлов данных, а также самых важных программ операционной системы. Эта его способность (сохранение информации в целостности и сохранности после выключения) позволяет доставать жесткий диск из одного компьютера и вставлять в другой.
При включении компьютера BIOS проводит POST (самотестирование при включении компьютера) и проверяет, есть ли дискета в дисководе. Если ее нет, она обращается к жесткому диску и копирует короткую программу, называемую "загрузочная память", с жесткого диска в оперативную память. Затем она передает управление компьютером загрузочной программе, которая наблюдает за загрузкой операционной системы. Как только система загружена, загрузочная программа стирается их памяти, передавая управление компьютером полностью загруженной операционной системе.
Жесткие диски очень надежны для хранения большого объема информации и данных. Внутри запечатанного жесткого диска находятся один или больше несгибающихся дисков, покрытых металлическими частицами. Каждый диск имеет головку (маленький электромагнит), встроенную в шарнирный рычаг, который движется над диском при его вращении. Головка намагничивает металлические частички, заставляя их выстраиваться для представления нулей и единиц двоичных чисел. Моторы, двигающие диск и рычаг, обычно подвергаются износу. Избежать износа удается только головке, поскольку она никогда не соприкасается с поверхностью диска.
Еще одна функция жесткого диска - симуляция оперативной памяти. Используя секции жесткого диска в качестве виртуальной памяти, Windows может запускать больше программ. Недостаток виртуальной памяти в ее медленности по сравнению с обычной памятью. Если поставить больше, работа компьютера замедляется.
Винчестер, или жесткий диск, - самая важная составляющая компьютера. На нем хранится операционная система, программы и данные. Без операционной системы Windows нельзя запустить компьютер, а без программ - ничего сделать, когда он уже загрузился. Без банка данных придется информацию каждый раз вводить вручную.
Жесткий диск - механическое устройство компьютера, и от него может быть больше проблем, чем от электронных устройств. На самом деле оно очень надежно. Диски собирают в чистых комнатах, в которых воздух постоянно фильтруется, и удаляются частички пыли. Собирают винчестеры из магниточувствительного материала. Перед тем как вынести диски из комнаты, их упаковывают и запечатывают. Если вы откроете свой жесткий диск из любопытства, то можете с ним попрощаться. Чтобы этого не случилось, никогда не делайте этого - их вскрывать нельзя.
Перед использованием новые жесткие диски нужно отформатировать. Этот процесс состоит в прокладывании магнитных концентрических дорожек и в их разбивке на маленькие сектора, как куски в торте. Будьте осторожны: если на жестком диске были записаны данные, то его форматирование ведет к полному их уничтожению.
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 150-200 Гбайт. Скорость записи и считывания информации с жестких дисков достаточно велика (может достигать 133 Мбайт/с) за счет быстрого вращения дисков (до 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.
Накопители на гибких магнитных дисках
Дисководы (накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), англ. FDD) бывают двух основных типов - для больших дискет (размером 5,25 дюйма, иногда пишут - 5,25"), и для маленьких (3,5 дюйма, 3,5"). Пятидюймовая дискета может вмещать в зависимости от ее типа от 360 информации (360 тысяч символов) до 1,2 Мбайт. Трехдюймовки хоть и меньше, но вмещают информации больше (720 КБ - 1,44 МБ). К тому же трехдюймовки заключены в пластмассовый корпус, и потому их труднее сломать или помять. Стандартным дисководом для современных компьютеров является дисковод для маленьких (3,5 дюйма) дискет. Отсюда и его название в компьютерной системе - диск 3,5 А.
5-дюймовый дисковод расположен на системном блоке компьютера спереди и выглядит как прорезь с рычажком-защелкой, в которую дискету вставляют и защелкивают.3-дюймовый дисковод имеет прорезь поменьше (на 2 дюйма), а вместо защелки у него кнопочка.
Дисковод для гибких дисков больше похож на накопитель магнитной ленты, чем на жесткий диск. Его головка физически контактирует с гибким диском и таким образом намагничивает поверхность, защищенную от пыли двигающейся заслонкой, которая автоматически убирается, когда диск вставляется в дисковод.
Дисководы для гибких дисков поставляют данные в систему через кабель, подключенный к разъему на материнской плате. Он отличается от IDE контролера, используемого для жестких дисков, и скорость передачи данных намного меньше.
Дисководы для гибких магнитных дисков становятся малоиспользуемыми, но все же необходимыми. Они используются только для переноса небольшого количества данных с одного компьютера на другой, а также для аварийного запуска компьютера. Дисководы для компакт-дисков - это основной способ распространения нового программного обеспечения, но при этом они не нужны компьютеру для выполнения функций обработки данных.
Гибкие магнитные диски. Два основных вида
Гибкий диск (англ. floppy disk) или дискета, - носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий пластиковый диск в защитной (пластмассовой) оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения.
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 современной 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 (например, не ложить рядом с дискетой мобильный телефон) и нагревания, так как такие физические воздействия могут привести к размагничиванию носителя и потере информации.
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 (Дискеты же с диаметром 5,25" сейчас используются очень редко, так их емкость не превышает 1,2 Мбайт, да и к тому же, выполнены они из менее прочного материала). 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 в минуту. В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными. 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 изготавливаются по новой технологии Nano2 и требуют специального оборудования для чтения и записи, которое пока не входит в стандартный пакет при покупке ПК.
Устройство дискеты
Дискеты различаются размерами и емкостью. По размерам разделение производится на дискеты диаметром 5,25” (, “ - знак дюйма) и дискеты диаметром 3,5”. По емкости - на дискеты двойной плотности записи (по-английски double density, сокращение - DD) и высокой плотности (high density, сокращение - HD).
Дискета 5,25” состоит из защитного пластмассового конверта, внутри которого находится пластиковый диск с магнитным покрытием. Этот диск тонкий и легко сгибается - поэтому дискеты и называются гибкими дисками. Сгибать дискету, конечно, нельзя, и этому препятствует защитный конверт. В дискете имеется два отверстия - большое в центре и маленькое рядом с ним. Большое отверстие предназначено для вращения диска с магнитным покрытием внутри конверта.
Это делается двигателем внутри дисковода. Защитный конверт изнутри покрыт ворсом, собирающим пыль с магнитного диска при его вращении. Маленькое отверстие служит для подсчета оборотов диска внутри дисковода. В конверте с двух сторон имеется продольная прорезь, через которую виден диск с магнитным покрытием. Через эту прорезь магнитная головка внутри дисковода касается диска и записывает или считывает данные с него. Данные записываются на обе стороны диска. Ни в коем случае не касайтесь пальцами поверхности магнитного диска! Этим вы можете испортить его, поцарапав или засалив. Если вы повернете дискету прорезью к себе, этикеткой вверх, то сверху на правой стороне конверта увидите маленький прямоугольный вырез. Если заклеить его кусочков липкой бумаги (обычно она продается вместе с дискетами), то диск будет защищен от записи. Обычно этот вырез должен быть свободен, заклеивать его стоит только на дискетах с важными данными.
Устройство дискеты 3,5" немного иное. Защитный конверт у нее из жесткого пластика, поэтому такую дискету сложнее согнуть или сломать. Магнитный диск не виден, поскольку открытых отверстий нет. Прорезь для доступа магнитной головки к поверхности диска есть, но она прикрыта защелкой. Защелка пружиной удерживается в закрытом состоянии. Открывать ее руками не надо во избежание повреждений магнитного диска. Внутри дисковода защелка открывается автоматически. Для защиты от записи на дискете есть маленькая защелка. Вы увидите ее слева наверху конверта дискеты, если будете держать дискету большой защелкой к себе, этикеткой вниз. Положение вниз для защелки от записи - обычное, в таком состоянии дискета от записи не защищена. Чтобы запретить запись данных на дискету, сдвиньте эту защелку вверх, при этом в дискете откроется маленькое квадратное отверстие.
Способ записи на гибкий диск
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.
Пишущий CD-ROM может записывать информацию любого типа - музыку, изображение или текст. Есть записываемые диски, на которые можно записать информацию только один раз (CD-R). Но есть и перезаписываемые диски (CD-RW), они стоят дороже, но позволяют стирать информацию и добавлять новую. Однако, если вы записываете музыку на перезаписываемый компакт-диск, вы можете его слушать только на ПК, а записываемый диск - на любом CD-плейере.
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.
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.
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.
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 Video Disk, цифровой видеодиск) 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 (Real Only Memory - только чтение). Производятся такие диски путем штамповки и имеют серебристый цвет.
Информационная емкость CD-ROM диска может достигать 650-700 Мбайт, а скорость считывания информации в CD-ROM-накопителе зависит от скорости вращения диска. Первые CD-ROM-накопители были односкоростными и обеспечивали скорость считывания информации 150 Кбайт/с. В настоящее время широкое распространение получили 52-скоростные CD-ROM-накопители, которые обеспечивают в 52 раза большую скорость считывания информации (до 7,8 Мбайт/с).
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.
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.
Существуют CD-R и DVD-R-диски (R - recordable, записываемый), которые имеют золотистый цвет. 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. Например, маркировка CD-RW-дисковода "40х12х48" означает, что запись CD-R-дисков производится на 40-кратной скорости, запись CD-RW-дисков - на 12-кратной, а чтение - на 48-кратной скорости.
Накопители на магнитной ленте (стримеры) и накопители на сменных дисках
Стример (англ. tape streamer) - устройство для резервного копирования больших объёмов информации. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой ёмкостью 1 - 2 Гбайта и больше.
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. На данный момент стримеры являются устаревшими и поэтому используются они на практике очень редко.
В последнее время всё шире используются накопители на сменных дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объём сменных дисков - от сотен Мбайт до нескольких Гигабайт.
Внешняя память - это место длительного хранения данных не используемых в данный момент в оперативной памяти компьютера. Внешняя память, явл энергонезависимой.
Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя и устройства хранения -носителя .
Основные виды накопителей:
накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);
накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);
накопители на магнитной ленте (НМЛ);
накопители CD-ROM, CD-RW, DVD.
Накопи́тель на жёстких магни́тных ди́сках -устройство хранения информации произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.
Информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины
Диске́та, ги́бкий магни́тный диск - портативный сменный носитель информации, используемый для многократной записи и хранения данных. Представляет собой помещённый в защитный пластиковый корпус диск,. Для считывания дискет используется дисковод. Дискеты обычно имеют функцию защиты от записи, посредством которой можно предоставить доступ к данным только в режиме чтения.
CD-ROM - разновидность компакт-дисков с записанными на них данными, доступными только для чтения. Диски CD-ROM - популярное и самое дешёвое средство для распространения программного обеспечения, компьютерных игр,мультимедиа
И прочих данных.
Флеш-память - разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти. Это же слово используется в электронной схемотехнике для обозначения технологически законченных решенийпостоянных запоминающих устройств в виде микросхем на базе этой полупроводниковой технологии. В быту это словосочетание закрепилось за широким классом твердотельных устройств хранения информации.
Логический диск - это часть долговременной памяти компьютера, предназначенная для хранения на жестком диске информации. Логические диски применяются для систематизации данных, находящихся на жестком диске и облегчения работы с информацией.
«Логический диск» является противоположностью «физического диска», под которым понимается память какого-либо конкретного дискового носителя.
Логическим диском может быть весь винчестер, но для удобства работы с информацией, а также для обеспечения большей безопасности, жесткий диск обычно разбивают на разделы. Для системного раздела рекомендуется оставлять определенный процент от всего объема жесткого диска. Винчестер – это физическое устройство, которое можно увидеть и потрогать руками. А логический диск просто не существует физически, это лишь один из разделов винчестера.
В состав внешней памяти компьютера входят:
1) накопители на магнитных дисках. Их работа основана на принципе магнитной записи (предполагающем сохранение магнитными диполями ферромагнитного слоя направления воздействующего внешнего магнитного поля) данных:
На сменных гибких магнитных дисках - НГМД (Floppy Disk Drive, FDD флоппи-диск, zip-диск);
На жестких магнитных дисках типа винчестер НЖМД;
На сменных жестких дисках;
2) накопители на оптических и магнитооптических компакт-дисках;
3) накопители на магнитной ленте;
4) твердотельная полупроводниковая память.
1. Дисковые магнитные накопители. Информация на диск, покрытый слоем ферромагнитного вещества, записывается и считывается с помощью дисководов (приводов), имеющих позиционируемые головки считывания/записи с одной либо обеих сторон диска.
Гибкие диски (англ. floppy disk )являются «ветеранами» среди дисковых устройств, так как ими комплектовались первые модели IBM PC. С тех пор дисководы существенно изменились и, несмотря на увеличившуюся емкость, перестали быть основным средством хранения данных и программ. По сравнению с другими средствами хранения они обладают весьма малой емкостью и надежностью, поэтому используются в основном для оперативного переноса данных с жесткого диска одного компьютера на жесткий диск другого, а также создания архивных копий.
Информация на магнитных дисках записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей – дорожек (треков). Количество дорожек на магнитном диске и их информационная емкость зависят от типа магнитного диска, конструкции накопителя, качества магнитных головок и магнитного покрытия. Каждая дорожка магнитного диска разбита на секторы. Формирование дорожек, секторов и запись специальных меток, идентифицирующих прежде всего номера дорожек обеспечивает низкоуровневая разметка (фор-
матирование). В одном секторе дорожки может быть помещено 128,
256, 512 или 1024 байт. Обмен данными между накопителем на маг-
нитном диске и оперативной памятью осуществляется последовательно целым числом секторов. Кластер – это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки (рисунок 3.18).
Основные параметры дисков:
1. Формфактор. Все диски: и магнитные, и оптические характеризуются своим диаметром, или иначе, формфактором. До настоящего времени используются диски с формфактором 3,5" (89 мм).
2. Плотность записи. Все современные дискеты и дисководы являются двусторонними, высокой плотности (маркировка - Double Sided High Density, DS/HD).
3. Полная емкость. Диски с формфактором 3,5" имеют емкость 1,44 мегабайта.
4. Время доступа и скорость чтения данных подряд.
Рисунок 3.18 - Логическая структура поверхности магнитного диска
Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (флоппи-дисковод от 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 остаются неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.
Рядом фирм выпускаются флоптические гибкие диски - диски сверхвысокой плотности (Very High Density). Это трехдюймовые диски с ферромагнитным слоем, нанесенным сложной технологией. На диск можно записать до 21 Мбайт данных. Диск содержит до 755 дорожек, каждая из которых имеет по 27 секторов стандартного размера. Частота вращения диска порядка 720 об/мин. Позиционирование головок в дисководе ведется с использованием лазерного датчика. Скорость обмена достигает 10 Мбайт/с. Накопители на таких дисках могут быть использованы для записи и считывания информации стандартных трехдюймовых дискет емкостью до 1,44 Мбайт.
Для пользователей компьютеров интересны накопители на сменных гибких дисках - накопители семейства ZIP со сменными магнитными дисками 3,5 дюйма емкостью 100-120 Мбайт. Модели ZIP выпускаются как внутренние, так и внешние. Они вращаются со скоростью 3000 об/мин, имеют среднее время доступа порядка 29 мс, обеспечивают передачу данных со скоростью 790 кбайт/с (при использовании стандартного принтерного порта LPT) и 1,4 Мбайт/с (для встроенного накопителя со SCSI-контроллером). Нынешние накопители ZIP 750 ориентированы на работу с носителями ёмкостью 750 Мбайт. Дисководы ZIP, реализующие технологию LS-120 (Super Disk), читают не только диски емкостью 120 Мбайт, но и флоппи-диски емкостью 1,44 Мбайт.
Zip дисководы включены в качестве стандартного накопителя в новые компьютеры Apple, Compaq, Dell, Gateway2000, Hewlett-Packard, IBM, Packard Bell и др. Новые модели (в том числе и Zip Plus) сравнимы по скорости считывания данных с высокоскоростными приводами CD-ROM. К недостаткам Zip можно отнести не самую высокую скорость передачи данных, несовместимость с флоппи.
Накопители HiFD – позволяют сохранять на одном съемном магнитном диске (имеющем габариты обычной дискеты) до 200 Мб данных. Высокая скорость передачи данных (до 3,6 Мб/c) достигается за счет угловой скорости вращения носителя, равной 3600 об/мин и использования высокой поверхностной плотности записи информации. Подобно накопителю на жестком диске, головка в технологии HiFD парит над поверхностью пластины, что значительно снижает износ как самой головки, так и носителя (рисунок 3.19).
Рисунок 3.19 - Накопитель HiFD
Накопители jAZ – приближаются к жестким дискам, но являются сменными. На одном диске можно разместить 1-2 Гб. В них используются две 3,5-дюймовых пластины в изолированном картридже. Среди скоростных накопителей большого объема лидерство сохраняется за jAZ .
Дисковые массивы. Для увеличения емкости внешних устройств хранения данных с повышенной надежностью применяют RAID-накопители. Это объединение нескольких дисковых накопителей в один логический диск большой емкости (сотни гигабайт). Такие накопители могут быть встраиваемы в корпус компьютера и размещаемы в отдельных стойках. RAID-накопители обладают повышенными скоростями обмена и надежностью хранения данных. Работа массива дисков организуется под управлением RAID-контроллера. Необходимость использования RAID-накопителей возникает для рабочих станций, многопользовательских серверов и суперсерверов.
Накопитель на жестких магнитных дисках (англ. HDD – Hard Disk Drive ), или винчестерский накопитель, – это запоминающее устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. Это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие.
Носителями информации здесь являются круглые алюминиевые пластины – платтеры , обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала, то есть имеет не 2 поверхности, а 2n, где n – количество платтеров в группе. Упрощенная схема жесткого диска приведена на рисунке 3.20.
Рисунок 3.20 - Упрощенная схема жесткого диска
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.
Толщина магнитного покрытия платтера составляет примерно 1,1 мкм, а также содержит слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъеме на ходу. В отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно. Так как скорость вращения достаточно большая, то между магнитной поверхностью и головками чтения/записи образуется воздушная подушка, и они парят над носителем (носителями) на расстоянии 0,00005-0,0001мм. Мнение, что внутри привода вакуум, ошибочно хотя бы потому, что там, где вакуум, конечно же, не может быть никаких воздушных подушек. Когда HDD не работает, головки находятся в специальной посадочной зоне (Landing Zone ), при этом они блокируются во избежание различных повреждений как самих головок, так и носителя. При включении двигателя он раскручивает поверхности, и головки под наплывом воздуха выходят из посадочной зоны.
Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска.
Запись и считывание информации основаны на принципах, которые используются в обычных бытовых магнитофонах. Однако в отличие от магнитофонной записи на магнитной ленте, запись на жестком (и гибком) диске производится отдельными блоками в отдельные сектора. Каждый сектор, кроме данных, содержит различную служебную информацию, необходимую для правильного функционирования контроллера дисковода. В частности, эта служебная информация включает такие данные, как номер дорожки, номер сектора и контрольную сумму данных, записанных в секторе.
Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем (обычно 2 Мбайта), который существенно повышает их производительность.
Характеристики жестких дисков:
1. Емкость. В настоящее время используется технология магнитно-резистивного эффекта, где теоретический предел емкости 1 пластины равен 20 Гб, технологический уровень 6,4 Гб на одну пластину.
2. Скорость работы винчестера описывается тремя параметрами.
а) Скорость передачи данных (скорость чтения/записи)(transfer rate, кратко - transfer) показывает, насколько быстро с диска считываются данные, записанные строго последовательно (измеряется в мегабайтах в секунду). Для различных дисков эта величина может весьма отличаться и составляет (на момент написания работы) примерно от 15 Mбайт/с до 60-100 Mбайт/с. Причем приличные диски должны обеспечивать скорость обмена никак не хуже 30 Mбайт/с, лучше 40 Mбайт/с (заметим, что мы говорим о пиковой скорости обмена, которая наблюдается при работе в основном с первыми дорожками диска и чтении/записи цельных массивов данных, а в реальных условиях, когда идет обмен небольшими порциями и со всем диском, значения будут чуть ли не на порядок ниже).
б) Среднее время доступа(average seek time , кратко - seek ) - это усредненное время, за которое будет найден нужный блок данных, если винчестеру указано его физическое расположение, измеряется в миллисекундах. Время доступа может варьировать где-то от 12-10 мс до 5-4 мс. Также обычно в характеристиках диска упоминается время перехода на соседнюю дорожку, которое, как правило, составляет около 1,5-0,5 мс (у хороших дисков не более 1 мс). Все скоростные параметры винчестеров можно померить с помощью соответствующих утилит, полагаться же целиком на собственные ощущения или на показания системного монитора не следует, потому что скорость чтения/записи в приложениях сильно зависит от многих других факторов.
Скорость работы винчестера (transfer и seek) существенно зависит от частоты его вращения, которая измеряется в оборотах в минуту (об/мин). Иногда продавцы приводят очень большие значения скорости обмена (скажем, 66 или 100 Mбайт/с). Это относится к пропускной способности интерфейса и к реальному быстродействию диска имеет примерно такое же отношение, какое, допустим, имеет размер головы к умственным способностям человека. Гораздо в большей степени быстродействие диска определяет скорость вращения плоскостей. Здесь типичные значения 3600, 4500, 5400, 7200, 10000, 15000 оборотов в минуту (rpm). Наиболее предпочтительными являются диски со скоростью вращения не менее 7200 rpm.
3. В последнее время стал важен еще один параметр - плотностьзаписи.Появились винчестеры с так называемой «двойной плотностью». Они отличаются высоким transfer, поскольку при той же скорости вращения диска с него больше считывается за один оборот. Как правило, плотность таких дисков свыше 1 Гбайт на один диск пакета внутри винчестера (то есть в диске емкостью 1,7 Гбайт внутри всего один диск, в диске 3,6 Гбайт два и т.д.).
Разработанная фирмой IBM технология изготовления носителей со специальным покрытием позволит в ближайшее время выпускать недорогие магнитные накопители емкостью до 1 Тбайт. А переход с традиционной продольной магнитной записи к перпендикулярной позволит увеличить плотность записи до 1 Тбайт/дюйм 2 и получить трехдюймовые диски емкостью несколько терабайт.
2. Оптические и магнитооптические накопители. В настоящее время неотъемлемой частью конфигурации компьютера является дисковод (привод) для чтения носителей типа компакт-диск (CD и DVD).
Компакт-диски (CD диски) могут быть для однократной записи CD-R и для многократной записи (перезаписываемый) CD-RW.
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, т.е. битовые ячейки (питы). Информация составляется чередованием питов и промежутков между ними (то есть двоичными нулями и единицами) (рисунок 3.20).
Рисунок 3.21 – Дорожка CD
В отличие от магнитных дисков, компакт-диски имеют не множество кольцевых дорожек, а одну – спиральную , как у грампластинок, идущую от центра к пеpифеpии. В связи с этим угловая скорость вращения диска не постоянна. Она линейно уменьшается в процессе продвижения читающей лазерной головки к краю 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 одного CD достигает 640-800 Мбайт. Для функционирования носителя на него также записывается довольно большой (примерно 8 Mбайт) объем служебной информации, поэтому полезная емкость CD несколько ниже указанной.
Накопители CD-R, благодаря сильному удешевлению приобретают все большее распространение. Информация на CD, в отличие от магнитных носителей, практически не подвержена разрушительным воздействиям электрического и магнитных полей. Однако он требует аккуратного обращения со стороны пользователя. Любые механические повреждения и воздействия рядом химических растворов выводят диск из строя. Сегодня практически только на CD производится легальная поставка программных продуктов и т.д.
Система многократной записи первоначально называлась CD-E (CD-Eraseable ), но затем название было сменено на CD-RW (CD-ReWritable). В CD-RW используется промежуточный слой из органической пленки, изменяющей под воздействием лазерного луча свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое и обратно, в результате чего меняется прозрачность слоя. Фиксация изменений состояния происходит благодаря тому, что материал регистрирующего слоя при нагреве свыше критической температуры переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания, а при нагреве до температуры, значительно ниже критической, восстанавливает кристаллическое состояние. Существующие диски выдерживают от тысяч до десятков тысяч циклов перезаписи. Однако их отражающая способность существенно ниже штампованных и CD однократной записи (можно заметить, что поверхность CD-RW значительно темнее поверхности обычного CD или CD-R).
Перезаписываемый диск может либо иметь такую же структуру дорожек и файловую систему, что и CD-R, либо (чаще) на нем организуется специальная файловая система UDF (Universal Disk Format ), позволяющая динамически создавать и уничтожать отдельные файлы на диске. Например, можно использовать CD-RW как обычный сменный диск и писать на него прямо из приложений.
Наверное, каждый, кто когда-либо имел дело с теми или иными приводами чтения CD/DVD, обратил внимание на одну конструктивную особенность строения этих устройств - круглое углубление диаметром 80 мм внутри большого круга размером 120 миллиметров для обычных CD. Это место для 80-миллиметровых компакт-дисков. То, что это углубление до сих пор не исчезло из трея СD- и DVD-устройств, можно объяснить тем, что диски диаметром 80 мм являются все-таки ISO-стандартом. Емкость таких дисков составляет 180 Mбайт. У этого типа CD тоже есть свои младшие братья. Это семейство так называемых business card CD. Фактически это обычные диски, но обрезанные с двух сторон, так что по виду и размеру они напоминают визитную карточку. В зависимости от степени обрезания емкость таких CD может варьироваться от 20 до 60 Mбайт. Надо заметить, что 80 мм диски потихоньку развивались и дошли до стадии СD-R/RW. Сегодня такие CD-R/RW иногда используются в цифровых фото- и видеока-мерах.
Читается диск с помощью обыкновенного привода. Привод, способный не только читать, но и писать на компакт-диски называется рекордером. Все современные CD-рекордеры могут работать как с CD-R, так и с CD-RW, хотя раньше для использования CD-RW было нужно специальное устройство. Как правило, скорость вращения указывают в трех числах. Первое обычно характеризует запись CD-R, вторая запись CD-RW, а третье означает скорость чтения. Например, 6x/4x/24x означает скорость записи CD-R 6х, CD-RW - 4х, а скорость чтения дисков составляет 24х.
Характеристики приводов: скорость привода. Частота вращения CD-ROM (200-4200 об/мин) связана со скоростью передачи аудио- и видеоданных накопителя в основную память компьютера. В связи с этим введено понятие скорости привода. Скорость работы приводов измеряется относительно скорости вращения обычного музыкального CD-плеера (скорость обмена около 150 кбайт/с). Измеряется в кратных долях. Например, параметр «40х» значит, что дисковод может вращать диск в 40 раз быстрее, чем это делает стандартный CD-плеер. Привод с однократной скоростью обозначается 1х; скорость передачи данных у него составляет 150 кбайт/с. В настоящее время используются приводы со скоростью 32х (4800 кбайт/с; на внешних доpожках скоpость пеpедачи достигает номинальной (напpимеp, 1800 кбайт/с), а по меpе пpиближения к внутpенним падает (в нашем примере приблизительно до 1200-1300 кбайт/с). В результате даже при существенно разной скорости вращения диска современные приводы достаточно высокого качества имеют в общем-то одинаковую скорость передачи данных; время доступа (время, затрачиваемое на поиск нужных данных) 400 мс. Оно у лучших моделей составляет около 80-60 мс, однако у дешевых может быть намного больше - вплоть до нескольких сотен мс. Причем дешевые дисководы обладают еще и такими замечательными особенностями, как плохое качество чтения диска (например, диски с дефектами, которые отлично читаются на других приводах, могут не читаться вовсе или читаться на более низкой скорости), сильный шум, вибрация (иногда даже становится страшно, когда компьютер начинает буквально подпрыгивать на столе) и другими не очень приятными качествами низкосортных изделий. При этом они имеют весьма небольшой срок службы, вполне возможно, что дисковод поломается всего через несколько месяцев использования.
DVD-диски (Digital Video Disk – цифровой видеодиск или Digital Versatile Disk – цифровой многофункциональный диск). В отличие от CD, он обладает большей плотностью размещения данных, возможностью двухслойной записи и более совершенной защитой лицензионных дисков от пиратских копий.
В чем основные отличия стандарта DVD от CD? Во-первых, используется лазер с меньшей длиной волны. Если в накопителях CD–R длина волны равна 780 нанометров, то в накопителях DVD – 635 нанометров. Это позволяет уменьшить длину штриха и повысить скорость считывания данных. Во-вторых, вследствие применения более совершенных материалов, DVD используют для записи данных в два слоя на одной стороне диска или по одному слою, но с двух сторон диска или по два слоя с двух сторон диска, в зависимости от формата DVD. Емкость дисков варьируется от 2,6 Гбайт до 17 Гбайт. В-третьих, используется совершенно новый формат секторов, более надежный код коррекции ошибок и улучшенная модуляция каналов.
Существуют следующие структурные типы DVD:
Single Side/Single Layer (односторонний/однослойный). Это самая простая структура DVD диска. На таком диске можно разместить до 4,7 Гбайт данных. Кстати, эта емкость в 7 раз больше емкости обычного звукового CD и CD-ROM диска;
Single Side/Dual Layer (односторонний/двухслойный). Диски имеют два слоя данных, один из которых полупрозрачный (чтобы обеспечить доступ лазерного луча к внутреннему слою). Оба слоя считываются с одной стороны и на таком диске можно разместить 8,5 Гбайт данных, то есть на 3,5 Гбайта больше, чем на однослойном/одностороннем диске;
Double Side/Single Layer (двусторонний/однослойный). На таком диске помещается 9,4 Гбайт данных (по 4,7 Гбайт на каждой стороне). Нетрудно заметить, что емкость такого диска вдвое больше емкости одностороннего/однослойного DVD-диска. Между тем, из-за того, что данные располагаются с двух сторон, придется переворачивать диск или использовать устройство, которое может прочитать информацию с обеих сторон диска самостоятельно;
Double Side/Double Layer (двусторонний/двухслойный). Самый сложный вариант. Обеспечивает возможность разместить на диске до 17 Гбайт данных (по 8,5 Гбайт на каждой стороне). Понятно, что такой диск, по сути, представляет собой два сложенных вместе односторонних/двухслойных.
Заметим, что все приведенные цифры соответствуют емкости, указанной в миллиардах байтов, а не в обычных компьютерных гигабайтах. В действительности же получится 4,38 Гбайт, 7,95 Гбайт, 8,75 Гбайт и 15,9 Гбайт соответственно.
Вся информация на DVD хранится в файловой системе MicroUDF (Micro Universal Disk Format). Ее официально утвердили в 2000 году. MicroUDB поддерживает носители большой емкости и файлы больших размеров. Имена файлов записываются в формате UNICODE, что обеспечивает совместимость DVD со всеми операционными системами для ПК, а также с разнообразной бытовой техникой.
Что касается непосредственно приводов, то они имеют большую скорость вращения дисков, чем CD-ROM, и однократная скорость вращения DVD-диска соответствует приблизительно трехкратной скорости вращения компакт-диска. Однако, благодаря более плотному размещению данных на DVD, скорость передачи данных на скорости 1х примерно соответствует 9-кратной скорости для CD-ROM, что составляет около 1,3 Мбайт/с. Поэтому для дисководов DVD-ROM указывается две скорости: скорость вращения DVD и скорость вращения CD (что в оборотах в секунду в принципе примерно одно и то же). То, что справедливо для CD-ROM, относится и к устройствам DVD-ROM - больше не всегда означает лучше, и лучше обратить внимание на качество изготовления устройства, а не на цифры в его названии. Время доступа к DVD вследствие более высокой плотности записи на несколько десятков миллисекунд выше, чем у CD , но этот же параметр при обращении с CD примерно такой же (или отличается незначительно), как и на приводах CD-ROM.
Магнитооптическая технология позволила создать дисковые накопители с огромной информационной емкостью (единицы Терабайт). МО-диск может подвергаться многократной перезаписи, отличается повышенной долговечностью хранения данных (до 100 лет) и обеспечивает более высокую скорость работы (в несколько раз). Однако средства этой технологии имеют пока повышенную стоимость.
МО-диск представляет собой поликарбонатную подложку (часто его также называют слоем) толщиной 1,2 мм, на которую нанесено несколько тонкопленочных слоев, в котором заключается магнитная часть технологии, а оптическая представлена считывающим лазером (рисунок 3.22).
Рисунок 3.22 - Магнитооптический диск
В дисках Blu-ray используется технология «голубого», а точнее сине-фиолетового лазера (о отличие от DVD, который базируется на классической технологии красного лазера) с длиной волны 405 нм. Такое уменьшение дало возможность сузить дорожку в 2раза.
На однослойный диск можно записать 25 Гбайт. Двойной слой диска может поддерживать 50 гигабайт.Blu-ray легко усовершенствуется и включает поддержку для дисков мультислоя, который дол-
жен позволить увеличить емкость запоминающего устройства до 100−200 Гбайт.
Из-за того, что на дисках Blu-Ray данные расположены слишком близко к поверхности, первые версии дисков были крайне чувствительны к царапинам и прочим внешним механическим воздействиям, из-за чего они были заключены в пластиковые картриджи. Этот недостаток вызывал большие сомнения относительно того, сможет ли формат Blu-ray противостоять своему основному конкуренту DVD.
Решение этой проблемы появилось в январе 2004 г. с появлением полимерного покрытия, которое дало дискам невероятную защиту от царапин и пыли. Это покрытие, разработанное корпорацией ТDK, получило название «Durabus», оно позволяет очищать их при помощи салфеток, которые могут нанести повреждения CD и DVD.
В Blu-ray применен экспериментальный элемент зашиты под названием BD+, который позволяет динамически изменять схему шифрования. Стоит шифрованию быть сломанным, производители могут обновить схему шифрования и все последующие копии будут защищены уже новой схемой. Таким образом, единичный взлом шифра не позволит скомпрометировать, всю спецификацию на весь период ее жизни.
3. Накопитель на магнитной ленте. Таким носителем является стример (англ. tape streamer ) - устройство для резервного копирования больших объёмов информациив сжатой форме (файлов типов arj, .jpeg, .zip и др.). Накопители могут быть встраиваемые и внешние. Большинство накопителей имеют SCSI-интерфейс. Носителем информации стримера служит магнитная лента (обычно со слоем оксида железа) с типовой шириной 4-5 мм (Tape Drives). Лента наматывается на две катушки и помещается внутрь кассеты (картриджа). Внешне она напоминает кассету бытового магнитофона (рисунок 3.23).
В настоящее время существуют различные стандарты QIC (Quarter Inch Cartridge- четвертьдюймовые картриджи), DAT (Digital Audio Tape - цифровая звукозапись), DDS (Digital Data Storage - хранение данных в цифровом виде), DLT (Digital Linear Tape - цифровая линейная запись) и LTO (Linear Tape Open - открытый стандарт ленты с линейной записью), определяющие параметры ленточных накопителей и кассет для них. Ёмкость ленточных магнитных носителей - от 150 Мбайт и выше. Число дорожек 20-144. Плотность записи 10 000-100 000 бит/дюйм. Скорость передачи данных 2-60 Мбайт/мин. Длина ленты 62,5-360 м.
Рисунок 3.23 - Кассета для стримера
Кассетные накопители QIC имеют относительно низкое быстродействие. Отчасти это обусловлено их подключением к интерфейсу накопителей на гибких магнитных дисках.
Наибольшие объемы информации позволяют пока хранить накопители стандарта DLT7000 (до 35 Гбайт при интерфейсе SCSI-II Fast/Wide и скорости передачи данных до 10 Мбайт/с).
4. Твердотельная память , или твердотельный диск (Solid State Disk, SSD), представлена полупроводниковой энергонезависимой флэш-памятью. Она не содержит подвижных частей, так как строится часто на однотранзисторных элементах памяти. Ныне популярны флэш-памяти стандартов CompactFlash, SmartMedia и Secure Digital. Емкость памяти в одном конструктиве пока не превышает нескольких гигабайт (рисунок 3.24).
Рисунок 3.24 - Флэш-накопитель
Первоначально память была представлена в конструкции PC Card (стандарта PCMCIA) емкостью 2 до 64 Мбайт. Такая память предназначена для использования в портативных устройствах, например, цифровых фотокамерах, сотовых телефонах, плеерах, карманных компьютерах - органайзерах и карманных игровых устройствах. Подсоединение флэш-накопителя к компьютеру чаще всего осуществляется через порт USB.
Для работы флэш-дисков типа Linear Flash (по стандарту Международной ассоциации по картам памяти для персональных компьютеров) требуется специальное обеспечение: драйверы - Flash File System или программы уровня преобразования - File Translation Layer. В то же время карты памяти типа PC Card АТА Flash (АТА-флэш-карта) не нуждаются в таком обеспечении, так как поддерживаются операционной системой.
Для определения быстродействия и производительности USB-флэш-дисков используются стандартные программы и утилиты.
Что такое HDD, жёсткий диск и винчестер - эти слова являются разными широко распространёнными терминами одного и того же устройства, входящего в состав компьютера. В связи с необходимостью хранения информации на компьютере появились устройства, хранители информации как жёсткий диск и стали неотъемлемой частью персонального компьютера.
Ранее на первых вычислительных машинах информация хранилась на перфолентах - это картонная бумага с пробитыми дырками, следующим шагом человека в развитие компьютера появилась магнитная запись, принцип работы которой сохранён в нынешних жёстких дисках. В отличие от сегодняшних терабайтных HDD, информация для сохранения помещаемая на них насчитывала десятки килобайт, это ничтожные размеры по сравнению с сегодняшней информацией.
Для чего нужен HDD и его функционал
Жёсткий диск - это постоянное запоминающее устройство компьютера, то есть, его основная функция - долговременное хранение данных. HDD в отличие от оперативной памяти не считается энергозависимой памятью, то есть, после отключения питания от компьютера, а потом как следствие и от жёсткого диска, вся информация, ранее сохранённая на этом накопителе, обязательно сохранится. Получается, что жёсткий диск служит лучшим местом на компьютере для хранения личной информации: файлы , фотографии, документы и видеозаписи, явно будут долго храниться именно на нём, а сохранённую информацию можно будет использовать и в дальнейшем в своих нуждах.
ATA/PATA (IDE) - этот параллельный интерфейс служит не только для подключения жёстких дисков, но и устройств для чтения дисков - оптических приводов . Ultra ATA является самым продвинутым представителем стандарта и имеет возможную скорость использования данных информации до 133 мегабайт в секунду. Указанный способ передачи данных считается сильно устаревшим и в сегодняшние дни используются в устаревших компьютерах, на современных системных платах разъёма IDE уже найти не получится.
SATA (Serial ATA) - представляет из себя последовательный интерфейс, который стал хорошей заменой для устаревшего PATA и в отличие от него имеется возможность для подключения только одного устройства, но на бюджетных системных платах, имеется несколько разъёмов для подключения. Стандарт подразделяется на ревизии, имеющие разные скорости передачи/обмена данных:
- SATA имеет скорость обмена данных возможную до 150 Мб/с. (1.2 Гбит/с);
- SATA rev. 2.0 - у данной ревизии скорость обмена данными в сравнение с первым SATA интерфейсом выросла в 2 раза до 300 МБ/с (2,4 Гбит/с);
- SATA rev. 3.0 - обмен данных у ревизии стал ещё выше до 6 Гбит/с (600 МБ/с).
Все вышеописанные интерфейсы подключения семейства SATA взаимозаменяемы, но подключив, например, жёсткий диск с интерфейсом SATA 2 в разъём материнской платы SATA, обмен данных с жёстким диском будет проходит на основе самой старшей ревизии, в данном случает SATA ревизии 1.0.
Обычно, включая компьютер, мы даже не задумываемся о том, какие процессы происходят внутри него во время загрузки. Однако то, что на первый взгляд кажется простой процедурой, на самом деле содержит в себе множество сложнейших вычислений. При включении задействуются все основные составляющие компьютера: материнская плата, процессор, память - внутренняя и внешняя и т. д. Подробнее о каждой из перечисленных составляющих компьютера, а также об эволюции сменных носителей можно будет узнать, просмотрев данный урок.
Она находится в системном блоке. На ней располагается центральный процессор (ЦП), контроллеры (например, управления памяти, управления внешними устройствами). Материнская плата - это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера либо сервера начального уровня.
К ней подсоединяется такие модули компьютера, как центральный процессор, контроллер оперативной памяти (ОЗУ и ПЗУ), контроллеры базовых элементов ввода-вывода (BIOS). Материнская плата непосредственно определяет и координирует работу таких различных по своей сути и функциональности комплектующих, как процессор, оперативная память, платы расширения и различные накопители данных.
Также в материнскую плату встроен генератор тактовой частоты, который синхронизирует работу всех устройств компьютера (Рис. 2).
Рис. 2. Микросхема тактового генератора, установленного в ноутбуке ()
Такт - это промежуток времени между двумя импульсами генератора тактовой частоты. Для выполнения одной элементарной операции необходимы несколько тактов. Тактовая частота первых ПК составляла 4,77 МГц. Современные компьютеры имеют частоту 2,5 ГГц. Важная характеристика материнской платы - это ее производительность. Она определяется тактовой частотой и разрядностью данных, передаваемых одновременно по общей шине. По общей шине передаются управляемые сигналы от процессора к другим устройствам компьютера. Архитектура, производительность материнских плат постоянно совершенствуется. Увеличивается количество портов.
Порт - это многоразрядный вход и выход, через который подключаются другие устройства компьютера. Эти порты выводятся на заднюю, переднюю либо боковую панель системного блока. Наиболее известные порты - это LPT-порт (параллельный), COM-порт (последовательный). Через эти порты подключаются принтеры, мыши, клавиатуры и т. д., но со временем появился USB-порт (Universal Serial Bus), к которому стали подключать все эти устройства.
Рис. 3. Различные порты компьютера ()
Основной составляющей материнской платы является процессор (Рис. 4). Он отвечает за обработку информации и управления всеми модулями компьютера. Без него невозможна работа современного ПК.
Центральный процессор (ЦП; также центральное процессорное устройство - ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно - «центральное обрабатывающее устройство») - электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера.
Производительность процессора характеризуется такими параметрами:
- степень интеграции;
- внутренняя и внешняя разрядность обрабатываемых данных;
- тактовая частота;
- память, к которой может адресоваться ЦП.
Степень интеграции микросхемы показывает, сколько транзисторов (самый простой элемент любой микросхемы) может поместиться на единице площади. Для процессора Pentium Intel эта величина составляет приблизительно 3 млн на 3,5 кв. см, у Pentium Pro - 5,5 млн.
Внутренняя разрядность процессора определяет, какое количество бит он может обрабатывать одновременно при выполнении арифметических операций (в зависимости от поколения процессоров - от 8 до 32 бит).
Внешняя разрядность процессора определяет, сколько бит одновременно он может принимать или передавать во внешние устройства (от 16 до 64 бит в современных процессорах).
Тактовая частота определяет быстродействие процессора. Для процессора различают внутреннюю (собственную) тактовую частоту (с таким быстродействием выполняются внутренние простейшие операции) и внешнюю (определяет скорость передачи данных по внешней шине).
Количество адресов оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), доступное процессору, определяется разрядностью адресной шины.
Рис. 4. Центральный процессор персонального компьютера ()
Для теплоотвода и предотвращения перегрева микропроцессора, применяются пассивные радиаторы либо так называемые кулеры. Кулер - система воздушного охлаждения - совокупности вентилятора и радиатора, устанавливаемых на электронные компоненты компьютера с повышенным тепловыделением (центральный процессор, графический процессор, микросхемы чипсета, блок питания).
Большинство современных процессоров для персональных компьютеров основаны на той или иной версии циклического процесса последовательной обработки данных, изобретенного Джоном фон Нейманом.
Еще одним важным модулем компьютера является память . Она делится на внутреннюю и внешнюю . К внутренней памяти относится прежде всего постоянная память (или ПЗУ - постоянно запоминающее устройство, ROM - Read-only memory). Примером такой памяти является модуль BIOS. В него внедрена программа тестирования компьютера и первичной загрузки ОС.
Также к внутренней памяти относится оперативная память. Ее называют ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) или RAM (random access memory) (Рис. 5).
Рис. 5. Оперативная память персонального компьютера ()
Оперативная память (англ. Random Access Memory, память с произвольным доступом; комп. жарг. «память», «оперативка») - энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции (Рис. 6). Оперативная память часто рассматривается как временное хранилище, потому что данные и программы в ней сохраняются только при включенном компьютере или до нажатия кнопки сброса (reset). Перед выключением или нажатием кнопки сброса все данные, подвергнутые изменениям во время работы, вновь могут быть загружены в память. От объема оперативной памяти зависит количество задач, которые одновременно может выполнять компьютер.
Рис. 6. Простейшая схема взаимодействия оперативной памяти с центральным процессором ()
Кроме внутренней памяти есть еще и внешняя. Внутренняя память (кроме постоянной) энергозависима. Для того чтобы сохранить результат работы за компьютером, используют внешнюю память. Она не такая быстрая по сравнению с оперативной, но их объемы несопоставимы. По аналогии с указанными выше свойствами внутренней памяти свойства внешней памяти можно описать так:
- внешняя память энергонезависима . Информация в ней сохраняется независимо от того, включен или выключен компьютер, вставлен носитель в компьютер или лежит на столе;
- внешняя память медленнее по сравнению с оперативной; в порядке возрастания скорости чтения/записи информации, устройства внешней памяти располагаются так: магнитные ленты - магнитные диски - оптические диски;
- объем информации, помещающейся во внешней памяти, больше, чем во внутренней; а с учетом возможности смены носителей неограничен.
Носителями внешней памяти являются различные диски: жесткие, гибкие, оптические. Первыми носителями были гибкие диски (дискеты). Это портативный сменный носитель информации, используемый для многократной записи и хранения данных. Представляет собой помещенный в защитный пластиковый корпус диск, покрытый ферромагнитным слоем (Рис. 7).
Рис. 7. Дискета в разобранном виде ()
При внимательном рассмотрении дискеты мы можем заметить дорожки. Перед использованием дискета форматируется. Форматирование дискеты заключается в разметке чистой дискеты на круговые дорожки и сектора. Чтобы начать работать с чистой дискетой, ее нужно сначала отформатировать, разметить. Отформатированная дискета имеет специальные, невидимые для пользователя во время работы разметочные записи. Вся дискета разбивается на круговые дорожки, а дорожки - на сектора. Стандартные трехдюймовые дискеты форматируются на 1,44 Мбайт.
Для считывания информации с дискет используется дисковод. На многих современных компьютерах он уже редко входит в полную комплектацию. Дискеты обычно имеют функцию защиты от записи, посредством которой можно предоставить доступ к данным только в режиме чтения. Дискеты были массово распространены начиная с 1970-х и до конца 1990-х годов (Рис. 8.), уступив место более емким и удобным CD и DVD-накопителям.
Рис. 8. Различные виды гибких дисков, начиная от самых первых моделей и заканчивая современными ()
Еще одним из устройств внешней памяти является жесткий диск . Также его иногда называют винчестер, винт.
Жесткий диск - запоминающее устройство (устройство хранения информации) произвольного доступа, основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве современных компьютеров (Рис. 9).
Рис. 9. Жесткий диск, вид изнутри ()
Конструкция винчестера представляет собой совокупность металлических дисков, которые покрыты особым веществом, способным сохранять влияние магнитного поля. Современные жесткие диски имеют от 1 до 3 таких дисков. Эти диски надежно сбалансированы и имеют гладкую поверхность из-за большой скорости их вращения. Запись на диск осуществляется специальными магнитными головками, обычно по одной с каждой стороны диска. Они реагируют на изменение магнитного поля через изменение силы тока, который возбуждается в головке. Сигнал считывается и преобразуется в цифровую форму.
Основными характеристиками жестких дисков являются:
- интерфейс (техническое средство взаимодействия 2-х разных устройств);
- емкость (количество данных, которые могут храниться накопителем);
- физический размер (размеры креплений и т. д.);
- время произвольного доступа (среднее время, за которое винчестер выполняет операцию позиционирования головки чтения/записи на произвольный участок магнитного диска);
- скорость вращения шпинделя (количество оборотов шпинделя в минуту);
- надежность (определяется как среднее время наработки на отказ);
- количество операций ввода-вывода в секунду;
- объем буфера (промежуточной памяти, предназначенной для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу).
По причине того, что жесткие диски являются прежде всего стационарными, т. к. очень чувствительны к любым воздействиям извне (удары, падения и т. д.), на смену им пришли внешние жесткие диски, которые подключаются к системному блоку через USB-порт и на которых можно переносить большие объемы информации. Объем таких дисков может быть от нескольких десятков гигабайт до нескольких терабайт. Объемы носителей внешней памяти постоянно растут. Помимо объема, важной характеристикой внешней памяти являются их физические размеры. Такая характеристика называется форм-фактор. Чем меньше физические размеры носителя, тем меньше потребляемая мощность.
На сегодняшний день все более популярными становится такой вид носителей информации как USB -флеш-накопитель , или по-простому «флешка» .
USB-флеш-накопитель - запоминающее устройство, использующее в качестве носителя флеш-память и подключаемое к компьютеру или иному считывающему устройству по интерфейсу USB.
Основное назначение USB-накопителей - хранение, перенос и обмен данными, резервное копирование, загрузка операционных систем (LiveUSB) и др. USB-флешки обычно съемные и перезаписываемые.
Флешка состоит из следующих частей (Рис. 10):
- USB-интерфейс (Стандарт-А) - обеспечивает физическое соединение с компьютером;
- контроллер - небольшой микроконтроллер со встроенными ROM и RAM.
- NAND-чип - хранит информацию;
- осциллятор - генерирует синхронизирующий сигнал (12 МГц) и управляет выводом данных;
- на большинстве флешек используется файловая система FAT12, FAT16, FAT32, или ExFat.
Рис. 10. Устройство USB-флеш-накопителя ()
Обычно устройство имеет вытянутую форму и съемный колпачок, прикрывающий разъем (Рис. 11). Современные флешки могут иметь самые разные размеры и способы защиты разъема. Обычный размер - 3-5 см, вес - меньше 60 г. Объем памяти на флешках постоянно растет. Если не так давно предельными значениями объема памяти для флешки считались 2 Гб, 4 Гб, то сейчас эти значения выросли до 32 Гб, 64 Гб. Безусловно, с развитием технологий растет и объем памяти флеш-накопителей.
Рис. 11. Внешний вид USB-флеш-накопителя ()
Современные компьютеры оснащены дисководами (Рис. 12) для чтения компакт-дисков. Это могут быть CD -диски и DVD -диски.
Рис. 12. Оптический привод современных CD и DVD дисков ()
Оптический привод - устройство, имеющее механическую составляющую, управляемую электронной схемой, и предназначенное для считывания и (в некоторых моделях) записи информации с оптических носителей информации в виде пластикового диска с отверстием в центре (компакт-диск, DVD и т. д.); процесс считывания/записи информации с диска осуществляется при помощи лазера.
Компакт-диск (CD -диск , англ. Compact Disc) - оптический носитель информации в виде пластикового диска с отверстием в центре. Дальнейшим развитием компакт-дисков стали DVD и Blu-ray, прообразом стала граммофонная пластинка.
Первыми появились CD - ROM (Compact Disc Read-Only Memory) (Рис. 13), т. е. устройство только для чтения. В скором времени это перестало соответствовать действительности, т. к. появились пишущие CD-ROM, на них можно было, кроме чтения, осуществлять запись информации. Точно также получилось и при появлении DVD - ROM - вначале были только читаемые DVD-приводы, а затем появились записывающие.
Внешних отличий у этих двух видов носителей информации не так много. Однако, помимо всего того, что умеет делать CD-ROM, DVD-ROM способен читать DVD-диски различных форматов. Принципы записи DVD- и CD-R-форматов во многом схожи. Самое основное отличие - это, естественно, размер записываемой информации. Если на обычный CD-диск можно записать до 800 Мб, то на один DVD-диск можно записать от 4,7 Гб.
В DVD употребляется лазер с наименьшей длиной волны, что позволило значительно прирастить плотность записи. Кроме этого, DVD предполагает возможность двухслойной записи информации, другими словами, на поверхности компакта находится один слой, поверх которого наносится очередной, полупрозрачный, и 1-й считывается через 2-й параллельно.
Список литературы
1. Босова Л.Л. Информатика и ИКТ: Учебник для 8 класса. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.
2. Босова Л.Л. Информатика: Рабочая тетрадь для 8 класса. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010.
3. В.И. Левин, Носители информации в цифровом веке. - КомпьютерПресс, 2000., 256 стр.
4. Танненбаум Э. Архитектура компьютера. - 5-е изд. - СПб.: Питер, 2007. - 844 с.
2. Интернет-сайт «КомпьютерПресс» ()
3. Интернет-сайт informatika.sch880.ru ()
Домашнее задание
1. Глава 2, §2.1, 2.2. Босова Л.Л. Информатика и ИКТ: Учебник для 8 класса. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012.
2. Какая составляющая является центральной частью ПК? Опишите ее основные функции.
3. Как называются входы и выходы, при помощи которых различные устройства подключаются к компьютеру?
4. Какие функции выполняет центральный процессор ПК?
5. Для чего компьютеру нужны два вида памяти: внешняя и внутренняя?
6. Назовите устройства внешней памяти компьютера.
7. Какие существуют типы оптических дисков?