Анализ и оценка современных средств хранения и передачи данных

Содержание

Введение

На протяжении всей истории  своего развития человек активно  пользовался информацией в своих целях. Более того, он сам стал источником информации для других. Еще в Древнем мире люди умели получать, обрабатывать, передавать, накапливать и что особенно важно – хранить информацию.

Первоначально, для хранения и накопления информации, человеку достаточно было собственной памяти.

Однако с ростом накопленных  знаний этот способ становился ненадежным  и человек придумал записывать информацию в виде рисунков на стенах пещер. В таком виде информацию было гораздо легче хранить и накапливать.

С изобретением письменности люди стали записывать полученную информацию на дощечках, табличках, папирусах, а позднее и в книгах, которые они к тому времени изобрели. Поток информации резко возрос, к тому же, люди открыли массу способов добывания или получения информации.

Накопление информации шло интенсивно. Огромное количество информации тщательно  записывались, документировались и  хранились в несчетных архивах  и хранилищах и к середине XX века поток информации стал стремительно расти в геометрической прогрессии. В этот критический момент и был изобретен компьютер – устройство для получения, накопления, хранения, обработки, передачи и распространения информации.

Средства для хранения и передачи информации представляют собой различные  съемные накопители. На сегодня существует множество различных средств, отличающихся емкостью, надежностью и удобством.

С увеличением  объема хранимой информации возрастает и её ценность, поэтому тема выпускной квалификационной работы «Анализ и оценка современных средств хранения и передачи информации» очень актуальна.

Объектом и предметом  исследования являются современные  средства хранения и передачи информации.

Цель  выпускной квалификационной работы  проанализировать  современные средства хранения и передачи информации.

Задачи выпускной квалификационной работы:

- проанализировать  виды  средств хранения информации;

- проанализировать  способы  передачи информации;

- рассчитать параметры  беспроводной сети передачи данных;

- оценить перспективы  развития средств хранения и передачи информации.

В первой главе  будут рассмотрены виды средств  хранения информации.

Вторая глава  будет посвящена средствам передачи информации.

В третьей главе будут  рассмотрены перспективы развития средств хранения и передачи информации.

При написании Выпускной  квалификационной работы были использованы научные труды таких авторов как: Велихов А.В., Вишневский В.М., Гордиенко В.Н., Ромашов В.В., Булкин В.В., Рудой В. М., Старков В.В.

1 Устройства хранения информации: назначение и виды

Запоминающее устройство — носитель информации, предназначенный для записи и хранения данных. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям.

Устройства хранения информации делятся  на 2 вида:

- внешние (периферийные) устройства

- внутренние устройства

К внешним устройствам относятся  магнитные диски, CD, DVD, BD, стримеры, жесткий диск (винчестер), а также флэш-карта. Внешняя память дешевле внутренней, создаваемой обычно на основе полупроводников. Кроме того, большинство устройств внешней памяти может переноситься с одного компьютера на другой. Главный их недостаток в том, что они работают медленнее устройств внутренней памяти. К внутренним устройствам относятся оперативная память, кэш-память, CMOS-память, BIOS. Главным достоинством является скорость обработки информации. Но в то же время устройства внутренней памяти довольно дорогостоящи.

1.1 Накопители на жестком диске

Жёсткий диск состоит из двух основных частей: гермоблока и контроллера (см. Приложение А). Гермоблок — это герметичная камера (откуда и название), заполненная чистым, не содержащим пыли воздухом, и содержащая в себе пакет магнитных дисков и блок магнитных головок (БМГ). Несмотря на герметичность, камера сообщается с окружающей средой через барометрический фильтр, обеспечивающий выравнивание давлений вне и внутри камеры.

Барометрический фильтр выполнен так, чтобы не пропускать частицы  пыли более определённого размера (~0,5 мкм). Выравнивание давлений исключает механические деформации корпуса. Также внутри находится рециркуляционный фильтр, обеспечивающий улавливание частиц, уже находящихся в камере, которые могут быть образованы внутри (в результате износа) или пропущены барометрическим фильтром. Он расположен на пути, циркулирующего за счёт вращения дисков воздуха.

Магнитные диски состоят  из основы, сделанной обычно из алюминия, реже из стекла или керамики и магнитного покрытия, в виде тонкой плёнки магнитотвёрдого материала (ферромагнетика), который служит собственно носителем информации. Магнитные диски собраны в пакет, находящийся на оси шпиндельного электродвигателя со стабильной скоростью вращения. Стабилизация вращения производится контроллером по сервометкам. (Ранее использовался отдельный датчик положения дисков). Обычно дисков в пакете не более трёх, запись может производиться как на одну, так и на обе стороны каждого диска, таким образом, диск обычно содержит от 1 до 6 головок.

Блок магнитных головок  перемещается вдоль поверхности  диска от края к центру посредством  сервопривода. На первых винчестерах  сервопривод производился шаговым двигателем. Впоследствии стала применяться электромагнитная катушка (англ. сoil), подобная катушке магнитоэлектрического стрелочного прибора. Для управления головками в винчестере хранятся так называемые адаптивы — индивидуальные для каждого винчестера данные о физических характеристиках сервопривода головок — необходимые амплитуды и времена сигналов управления электромагнитом. Адаптивы обеспечивают быстрое и почти безошибочное позиционирование головки и уверенное удержание её на треке.

Сама головка —  миниатюрная электромагнитная система, обеспечивающая локальное намагничивание поверхности диска и локальное  измерение его намагниченности. Первые электромагнитные головки считывали  информацию через наведённую ЭДС на катушке. Позднее появились магниторезистивные головки, использующие для считывания специальный магниточувствительный материал. В выключенном положении головки лежат на дисках в специальной зоне парковки. Во избежание повреждений при транспортировке, головки в этом положении заблокированы, и не могут перемещаться до тех пор, пока диски не крутятся. При работе головки парят над поверхностью вращающихся дисков на расстоянии порядка от десятых долей до единиц микрометров. Таким образом, поверхность дисков не изнашивается (как это происходит у дискет).

Внутри гермоблока вместе на блоке  магнитных головок или рядом  с ним расположен коммутатор, обеспечивающий переключение активных головок и  предварительное усиление сигнала магнитного датчика. Если у жёсткого диска одна рабочая поверхность, то коммутатор выполняет только функции усилителя. Контроллер представляет собой электронную схему, выполняющую функции управления органами гермоблока и преобразование информации, передаваемой между компьютером и головками. Конструктивно контроллер обычно выполнен в виде печатной платы, монтируемой на одной стороне гермоблока. На контроллере расположены узлы питания, управления шпиндельным двигателем, сервоприводом БМГ, чтения и записи информации на диски, обмена по внешнему интерфейсу, разъёмы интерфейса, питания, соединения с гермоблоком, а также технологические выводы и элементы конфигурации (джамперы).

Современный контроллер — встроенная микропроцессорная система, выполняющая зашитую микропрограмму. Основные узлы контроллера:

- схема управления питанием;

- модуль управления (микропроцессорный).

- интерфейсный модуль;

- канал чтения-записи;

- контроллер БМГ;

- контроллер шпиндельного двигателя;

Физический уровень 

Информация на жёстких дисках закодирована на магнитном материале в виде магнитных доменов (микроскопических участков с направленным магнитным моментом) с различным направлением вектора намагниченности. Два направления вектора намагниченности представляют биты «0» и «1».

Традиционно, в жёстких  дисках используется технология параллельной записи (см. Приложение Б), когда намагниченность доменов лежит в плоскости поверхности диска. В 2005 году фирма Hitachi разработала технологию перпендикулярной записи — в этом случае домены намагничены перпендикулярно плоскости. Это позволило преодолеть ограничение, связанное с супер парамагнитным эффектом — взаимодействием магнитных доменов. Первой моделью винчестера с перпендикулярной записью, стала TravelStar 5K160, выпущенная с ёмкостями 40, 60, 80, 120 и 160 ГБ. Технология тепловой магнитной записи, разработанная компанией Seagate и представленная в 2006 году должна повысить плотность по сравнению с обычной технологией в 100 раз и обеспечить достижения отметки 7,75 Тбит/см2. Ключевым моментом технологии является локальное нагревание записываемого участка лазером, что должно уменьшить его коэрцитивную силу и обеспечить перемагничивание. Этот метод даёт возможность использовать менее подверженные супер парамагнитному эффекту материалы.

Приложение 3 -  Пример серво разметки

На заводе-изготовителе на диск записываются серво метки (см. Приложение 3), обеспечивающие синхронизацию вращения дисков, позиционирование головок на нужные треки. Серво метки на поверхности образуют области в виде радиальных лучей из центра диска, расположенные на равных угловых промежутках. Серво метки содержат синхронизационную последовательность, номер трека и дифференциальные метки. Синхронизационная последовательность обеспечивает стабильность вращения диска и точное определение моментов прохождения головкой различных областей на диске. По номеру трека обеспечивается позиционирование головок на нужный трек.

Дифференциальные метки, представляющие области противоположной  намагниченности, смещённые на 1/2 трека, предназначены для точного позиционирования головок на трек. Принцип их действия заключается в том, что головка расположенная точно над треком, проходя между двумя дифференциальными метками считывает, нулевую намагниченность, при отклонении же головки от середины, она окажется ближе к одной из меток, в результате намагниченность, считанная головкой будет определяться отклонением её от середины трека. Серво метки могут быть записаны только на прецизионном технологическом оборудовании. Для записи серво меток используется актюатор, вводящийся в гермоблок через отверстие и управляющий головками при записи. Повреждение серво метки автоматически означает последующую недоступность трека. На отдельных моделях под серво метки отводилась отдельная поверхность, однако от такого решения впоследствии отказались, так как это весьма расточительно с одной стороны, с другой стороны механической жёсткости БМГ недостаточно для точного позиционирования головок на других поверхностях при высокой плотности записи.

Рисунок 4 - Логическая структура и разметка поверхности магнитного диска

При записи на диск используется самосинхронизирующее кодирование, обычно код с ограничением длинны серий (RLL) или код с максимумом измений (MTR), обеспечивающее малую избыточность при отсутствии необходимости в дополнительных синхрометках (см. Рисунок 4).

Например, в дисках серии MH от Fujitsu применяется MTR-кодирование 16 в 17 бит с условием не более 3 единиц в серии и не более 2 единиц около границы кода. Для обеспечения надёжности также применяется помехоустойчивое кодирование — в данные добавляется избыточная информация, обеспечивающая восстановление при потерях части информации или ошибках чтения. Может использоваться код Рида — Соломона, турбо-код и др. Получила распространение технология считывания и декодирования «максимальная правдоподобность при неполном отклике».

Данные на диски записываются секторами. Сектор — это непрерывный фрагмент трека фиксированной информационной ёмкости. Стандартные сектора содержат по 512 байт (или 256 16-битных слов) информации. Каждый сектор может быть записан независимо от других, но только целиком. Прерванная запись, например, в случае пропадания питания, разрушает информацию в секторе.

Вместе с каждым сектором вычисляется  и записывается контрольная сумма, обеспечивающая проверку сохранности данных. При считывании посчитанная контрольная сумма сравнивается с записанной, и несовпадение означает, что данный сектор сбойный, он называется — бэд. Возможно несовпадение суммы и в том случае, когда поверхность сектора нормальная. При подобном сбое информация в секторе оказывается потерянной, но при записи на него сектор восстанавливается. Такие сектора называются софт-бэдами. Тем не менее, часто компьютерное программное обеспечение для работы с дисками нередко помечает такие сектора сбойными, и выводят их из использования.

Сектора адресуются тремя числами  — номером поверхности, номером  трека и номером сектора в  треке. На старых винчестерах номера поверхности, трека и сектора  задавались непосредственно через внешний интерфейс. Интерфейс ATA (IDE) сохранил этот исторический метод адресации, называемый CHS (Cylinder, Head, Sector — цилиндр ≈ трек, головка, сектор). Более современные модели используют логическую адресацию, в которой все сектора независимо от их физического положения на дисках пронумерованы последовательными числами. Винчестеры, работающие с логической адресацией могут имитировать физическую адресацию для совместимости. Логическая адресация обусловлена усложнением функционирования контроллера, связанным с более высокой плотностью записи и появлением разных сервисных функций, логическую адресацию определяет модуль микропрограммы винчестера, называемый транслятором, включающий в себя таблицы и алгоритмы преобразования.

Зонно-секционная запись (англ. ZBR — zoned bit recording) использует тот факт, что внешние треки имеют большую длину, нежели внутренние, (примерно раза в два) и на них можно поместить больше информации. Диск разбивается на цилиндрические зоны с различным количеством секторов на трек. В среднем диск разбивается на 10-20 зон. Современные жёсткие диски также обеспечивают автоматическое сокрытие дефектов. Практически невозможно произвести совершенно свободную от дефектов магнитную поверхность, поэтому часть дефектов изначально скрыта уже на только сошедшем с конвейера винчестере — пропущены некоторые сектора, треки. Для этого внутри хранятся специальные списки заводских дефектов (P-list и TrackSkip). Со стороны компьютера это совершенно не заметно. Стандартными средствами можно лишь попробовать примерно определить их по мелким изъянам графика времени доступа. Также производится сокрытие дефектов, появляющихся во время работы винчестера, при невозможности записи в какой-либо сектор он заносится в список сбойных секторов (так называемый G-list) и информация записывается в резервную область. Такая процедура называется перемещением, или ремапом (англ. remap). Современные диски включают в себя достаточно сложную систему слежением за состоянием поверхности, включающую в себя не только аварийное перемещение, но и обнаружение потенциально сбойных участков. Всё пространство диска разбито на две области — пользовательскую и служебную. Пользовательская область предназначена для данных записываемых извне по интерфейсу и, кроме того, включает резерв для перемещения сбойных секторов. Служебная область содержит данные, необходимые для работы микропрограммы контроллера — программные модули, паспорт диска, таблицы транслятора и другие. Повреждение служебной области — частая причина выхода винчестеров из строя.

После подачи питания  на винчестер, процессор контроллера  начинает исполнение микропрограммы, находящейся в собственном ПЗУ. Эта программа обеспечивает элементарное самотестирование контроллера. После чего включается и раскручивается шпиндельный двигатель. При достижении достаточной скорости вращения, когда головки оторвутся от поверхности дисков, происходит разблокировка сервопривода головок и они распарковываются. После распарковки головок контроллер считывает необходимые для работы данные, и если они считались нормально, винчестер готов к работе.

При определённых условиях возможна неполная инициализация накопителя. У практически всех винчестеров есть «безопасный режим» (Safe mode), но он существует исключительно для технологических целей. При пропадании питания производится автоматическая парковка головок. Технологические методы парковки довольно разнообразны. Она может обеспечиваться за счёт энергии вращения дисков (шпиндельный двигатель используется в качестве генератора), заряда конденсаторов. Наиболее же распространённый метод — при пропадании напряжения на катушке сервопривода под действием электромагнитных сил головки сами переходят в запаркованное положение. Выключение двигателя и парковка возможны также посредством команды через интерфейс. Всё время работы винчестер обеспечивает выполнение команд, передаваемых по интерфейсу. В основе обмена данными с винчестером лежат две команды — чтение и запись информации. Это единственные необходимые команды. Обе команды содержат параметры, определяющие номер сектора и количество секторов.

При поступлении команды на запись жёсткий диск производит приём данных по интерфейсу, вычисляет транслятором координаты физической области, позиционирует головки и записывает информацию на поверхность, после чего производит проверку записи и, в случае необходимости, производит перемещение сбойных секторов. Также производится запись информации во внутренний кэш диска. По команде чтение сначала проверяется наличие нужных данных во внутреннем кэше. В случае их обнаружения данные просто передаются по интерфейсу из кэша. Если данные в кэше не найдены, как и при записи, производится трансляция номера сектора, после чего производится считывание данных с поверхности, исправление ошибок и проверка правильности считывания. При неправильном считывании, как правило, производятся повторные попытки, а если и они не удались, то контроллер посылает по интерфейсу сигнал отказа. Часто данные и диска считываются треком целиком, даже если нужен всего один сектор. В этом случае дополнительно считавшиеся данные также попадают в кэш, что приводит к ускорению работы при последовательном считывании данных маленькими порциями.

Команда проверка производит действия, подобные чтению, но не передаёт данные по шине. Посредством её можно проводить сканирование поверхности диска на предмет бэдов достаточно быстро. Оставшаяся со времён дисков с физической адресацией команда позиционирование может обрабатываться современными винчестерами произвольным образом. Винчестер может, как реально позиционировать головки, так и отвечать по интерфейсу успешным завершением, не производя никаких действий. Для защиты данных многие винчестеры позволяют блокировать доступ посредством пароля. Парольная защита появилась в спецификации ATA-3. Защита позволяет установить пароль на доступ ко всему диску сразу, до ввода пароля винчестер будет определяться драйвером, но отвергать любые операции чтения-записи.

Спецификация ATA предоставляет  два уровня защиты, названные «высокий»  и «максимальный», разница заключается  в том, что на высоком уровне защиты её можно снять посредством «мастер-пароля», зашитого производителем, а на максимальном — только стереть весь диск. Тем не менее, многие жёсткие диски, возможно, взломать манипуляциями посредством служебных команд.

Параметры винчестеров  некоторых серий представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры  винчестеров некоторых серий

Ёмкость жёсткого диска является самым важным его параметром. Она определяет количество информации, которое может быть на него записано. Ёмкость измеряется в байтах и их кратных единицах: мегабайт, гигабайт. При этом производители используют приставки степени 1000, то есть 1 гигабайт ёмкости винчестера это ровно 1 миллион байт. Это противоречит компьютерной традиции использовать степени 1024, поэтому может вводить в заблуждение — диск, обозначенный как 100-гигабайтный отображается на компьютере как 93-гигабайтный (хотя правильнее его называть 93-гибибайтным).

Ёмкость винчестера определяется следующими параметрами:

Размер пластины —  параметр, определяющийся, как правило, геометрическими размерами винчестера, обычно диаметр на 1-2 см меньше ширины. Плотность записи на единицу площади — определяется технологией изготовления диска. Указывается обычно в гигабитах на квадратный дюйм или квадратный сантиметр. Обычно диски одной серии имеют одинаковую плотность записи. Объём поверхности — параметр, зависящий от плотности записи и размера пластины.

Рисунок 5 – динамика изменения  максимальной ёмкости дисков.

Количество рабочих  поверхностей — то же, что и количество физических головок. Зависит от конструктивного  исполнения. В пределах серии используется для варьирования ёмкости. Ёмкость — самый динамичный параметр рыночного ассортимента дисков. Ёмкость предлагаемых дисков постоянно растёт (см. Рисунок 5), а цена за единицу постоянно падает. Собственно, жёсткий диск конструктивно приспособлен для установки внутрь устройства. Стандартные разновидности включают в себя винчестеры для стационарных систем, переносных и портативных.

5,25-дюймовый — полностью  вышел из употребления, использовался  в IBM PC XT. 3,5-дюймовый — самый  распространённый вариант для стационарных компьютеров. 2,5-дюймовый — обычный типоразмер для ноутбуков, также используется в некоторых настольных системах Amiga, Set-top box. 1,8-дюймовый — для различных портативных устройств.

Винчестеры могут иметь  различные интерфейсы.  Характеристики различных интерфейсов представлены в таблице 2

Таблица 2 - Характеристики различных интерфейсов.

Винчестеры для носимых  устройств (ноутбуков, плееров и  т. п.) обладают гораздо большей устойчивостью к механическим воздействиям, но при этом более дороги. Внешние винчестеры — это винчестеры, установленные внутрь специального защитного контейнера. Контейнеры выпускаются под 3,5- и 2,5-дюймовые винчестеры. Немаловажное значение имеют скоростные характеристики жёстких дисков:

Скорость вращения шпинделя (англ. rotational speed, spindle speed) обычно измеряется в оборотах в минуту (об/мин, rpm). Она не даёт прямой информации о реальной скорости обмена, но позволяет различать более скоростные от менее. Стандартные скорости вращения: 4800, 5600, 7200, 9600, 10 000, 15 000 об/мин. Медленные обычно используются на ноутбуках и других мобильных устройствах, самые скоростные — в серверах. Время доступа — количество времени, необходимое винчестеру от момента приёма команды до начала выдачи данных по интерфейсу. Обычно указывается среднее и максимальное время доступа. Время позиционирования головок (англ. seek time) — время за которое головки перемещаются и устанавливаются на трек с другого трека. Различают время позиционирования на соседний трек (track-to-track), среднее (average), максимальное (maximum). Скорость передачи данных или пропускная способность — определяет производительность диска при передаче последовательно больших объёмов данных. Эта величина показывает установившуюся скорость передачи, когда головки диска уже на нужном треке и секторе.

Внутренняя скорость передачи данных — скорость передачи данных между контроллером и магнитными головками. Внешняя скорость передачи данных — скорость передачи данных по внешнему интерфейсу. Энергопотребление — немаловажный параметр, особенно в портативных системах. Он определяет необходимые характеристики источника питания и время, которое сможет проработать система от автономного источника питания. Различают энергопотребление в различных режимах: Пиковое энергопотребление — предел энергопотребления, обычно достигается в момент включения и раскручивания дисков. Пиковое энергопотребления должен выдерживать блок питания. Как параметры пикового энергопотребления обычно указывается максимальный ток по шинам питания.

Энергопотребление активного  режима определяется во время активной работы накопителя. Это предельное энергопотребление достигаемое  продолжительное время. Следует  иметь в виду, что практически  вся энергия, потребляемая жёстким диском выделяется в виде тепла, следовательно, энергопотребление рабочего режима определяет также необходимую интенсивность отвода тепла. Основная статья энергопотребления тут — сервопривод головок, мощность которого определяет быстродействие винчестера в случае произвольного доступа, и следовательно, быстрые винчестеры требуют значительного охлаждения. Энергопотребление режима ожидания — во время простоя, когда диск готов выполнять команды. Энергопотребление спящего режима — минимальное энергопотребление включённого винчестера, когда остановлен шпиндельный двигатель. Среднее энергопотребление — интегральный параметр, показывающий, насколько долго сможет проработать диск от батарей.

Другие параметры. Надёжность. Стандартный показатель надёжности — среднее время безотказной работы или среднее время наработки на отказ. Сопротивляемость механическому воздействию — вибро и ударопрочность устройства. Сильно различается ударопрочность накопителя в рабочем и транспортировочном состоянии. В рабочем состоянии винчестеры весьма чувствительны к ударам и вибрации — максимальная перегрузка составляется всего несколько g. В транспортировочном состоянии ударопрочность в десятки-сотни раз выше (40-200 g), тем не менее, эти значения соответствуют всего лишь падению с 20-30 см на бетонную плиту. Винчестеры для портативных устройств обычно более ударопрочны. Уровень шума — скорее эстетический параметр, нежели функциональный.

1.2 Стримеры

Стример или стример (от английского streamer) — это запоминающее устройство, основанное на магнитной ленте с последовательным доступом к данным. По своему принципу действия стример похож на обычный магнитофон.

Применяется для операций резервного копирования и архивирования  данных с жестких дисков на магнитную ленту. Основными преимуществами стримера являются большая ёмкость (до 900 Гб) и невысокая стоимость информационного носителя (картридж), надежность и стабильность работы. К недостаткам стримера относятся низкая скорость доступа к данным из-за последовательного доступа и большие размеры. Накопители на магнитной ленте называют также устройствами внешней памяти последовательного доступа, так как удаленные фрагменты данных могут быть прочитаны только после считывания предшествующих им (менее удаленных) данных. Все файлы, размещенные на сменной кассете, будут сохраняться без каких-либо потерь независимо от того, включен компьютер или нет. В качестве носителей информации применяются сменные кассеты различного размера с магнитной лентой емкостью от 20 Мбайт до 2 Гбайт. На магнитной ленте имеются технологические отверстия. В месте установки кассеты имеется небольшое зеркальце и два фотодатчика (инфракрасный излучатель и инфракрасный приемник). Датчик-излучатель посылает инфракрасный луч на это зеркальце, а датчик приемник принимает отраженный от зеркальца сигнал. Когда кассета вставлена в стример, полотно магнитной ленты перекрывает инфракрасный луч. Вблизи конца ленты луч проходит через технологическое отверстие, отражается и попадает на приемник. Стример останавливает свою работу. Если инфракрасный излучатель или приемник загрязнены, то стример по окончании ленты может не остановиться и тогда произойдет "слет" кассеты накопителя.

Базовые характеристики:

- возможность записи до 160GB данных на одну кассету (при сжатии 2:1);