Внешняя память компьютера. 3

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Всероссийский Заочный Финансово-Экономический  Институт

Филиал  в г. Барнауле 
 
 
 

Курсовая  работа

по  дисциплине «Информатика»

на  тему

«Внешняя  память компьютера» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Исполнитель:             

Группа                         

№ зачетной книжки  

Руководитель:              
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Барнаул 2005 

Содержание 

Введение            3

1. Внешняя память          5
2. жесткие диски           8
3. Дисковые массивы RAID         11
4. Компакт-диски          13
5. Практическая часть          17

Заключение           26

Список литературы          27 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 

     Под внешней памятью компьютера подразумевают  обычно как носители информации (то есть устройства, где она непосредственно  хранится), так и устройства для чтения/записи информации, которые чаще всего называют накопителями.

     Как правило, для каждого носителя информации существует свой накопитель.

     Первые  носители информации для ЭВМ были бумажными (перфокарты, перфоленты). Для  работы с ними существовало 2 отдельных устройства: перфоратор – для записи информации, счетчик – для считывания информации и передачи ее в оперативную память. Позднее появились магнитные носители информации (магнитные ленты, магнитные барабаны, магнитные диски), накопители которых совмещали в себе и устройство считывания, и устройство записи. А такое устройство, как винчестер, совмещает в себе и носитель, и накопитель. Для оптических носителей информации (компакт-дисков, цифровых дисков) накопители могут как совмещать функции чтения/записи, так и быть специализированными, например, только для чтения.

     Накопители  на жестких магнитных дисках (НЖМД или винчестеры) представляют собой  внешние ЗУ, в которых носителем  информации являются жесткие несменные  магнитные диски, объединенные в  пакет.

     НЖМД предназначены для долговременного хранения информации, постоянно используемой при работе с ПК: программ операционной системы, часто используемых пакетов программ, редакторов документов, трансляторов с языков программирования, документов и программ, подготовленных пользователем и т. д.

     В настоящее время ПК без НЖМД практически  не выпускаются. Если компьютер включен  в локальную компьютерную сеть, то он может работать без собственного жесткого диска, но тогда он использует жесткий диск центрального сервера.

     Винчестер устанавливается внутри системного блока и внешне представляет собой  герметичную металлическую коробку, внутри которой расположены несколько  дисков, объединенных в один пакет, магнитные головки чтения/записи, механизм вращения диска и перемещения головок.

     Основными характеристиками винчестера являются:

     - емкость, то есть максимальный  объем данных, который можно записать  на носитель;

     - быстродействие, определяемое временем  доступа к нужной информации, временем ее считывания/записи  и скоростью передачи данных;

     - время безотказной работы, характеризующее  надежность устройства.

     Емкость НЖМД зависит от модели ПК. Первый винчестер (начало 80-х годов) имел «колоссальную  емкость» 10 Мбайт. Считается, что объем  современного винчестера должен быть не менее 2 – 3 Гбайт. Последние модели ПК имеют винчестеры емкостью свыше 120 Гбайт, ожидается появление винчестеров емкостью до 320 Гбайт.

     Чаще  всего винчестер имеет имя  С:. Однако емкость винчестера обычно очень велика, поэтому для удобства работы винчестер разбивают на участки. Каждый такой участок воспринимается операционной системой как отдельный диск и называется «логическим диском». Имена таких дисков – C:, D:, Е: и т. д. по алфавиту. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВНЕШНЯЯ ПАМЯТЬ

     Устройства  внешней памяти или, иначе, внешние  запоминающие устройства весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков: по виду носителя, типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, методу доступа и т.д.

     Носитель - материальный объект, способный хранить  информацию.

     В зависимости от типа носителя все  ВЗУ можно подразделить на накопители на магнитной ленте и дисковые накопители.

     Накопители  на магнитной ленте, в свою очередь, бывают двух видов: накопители на бобинной магнитной ленте (НБМЛ) и накопители на кассетной магнитной ленте (НКМ- стриммеры). В ПК используются только стриммеры.

     Диски относятся к машинным носителям  информации с прямым доступом. Понятие  прямой доступ означает, что ПК может "обратиться" к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где бы ни находилась головка записи/чтения накопителя.[2]

     Накопители  на дисках более разнообразны

     накопители  на гибких магнитных дисках (НГМД), иначе, на флоппи-дисках или на дискетах; накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) типа "винчестер"; накопители на сменных жестких магнитных дисках, использующие эффект Бернулли; накопители на флоптических дисках, иначе, floptical-накопители; накопители сверхвысокой плотности записи, иначе, VHD-накопители; накопители на оптических компакт-дисках CD-ROM (Compact Disk ROM); накопители на оптических дисках типа СС WORM (Continuous Composite Write Once Read Many - однократная запись - многократное чтение);накопители на магнитооптических дисках (НМОД) и др.   

     Примечание  Время доступа - средний временной  интервал, в течение которого накопитель находит требуемые данные - представляет собой сумму времени для позиционирования головок чтения/записи на нужную дорожку  и ожидания нужного сектора. Трансфер - скорость передачи данных при последовательном чтении.

     Магнитные диски (МД) относятся к магнитным  машинным носителям информации. В  качестве запоминающей среды у них  используются магнитные материалы  со специальными свойствами (с прямоугольной  петлей гистерезиса), позволяющими фиксировать два магнитных состояния - два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры: 0 и 1. Накопители на МД (НМД) являются наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами в ПК. Диски бывают жесткими и гибкими, сменными и встроенными в ПК. Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом.

     Все диски: и магнитные, и оптические характеризуются своим диаметром  или, иначе, форм-фактором. Наибольшее распространение получили диски с форм-факторами 3,5" (89 мм) и 5,25" (133 мм). Диски с форм-фактором 3,5" при меньших габаритах имеют большую емкость, меньшее время доступа и более высокую скорость чтения данных подряд (трансфер), более высокие надежность и долговечность.

     Информация  на МД записывается и считывается  магнитными головками вдоль концентрическихокружностей - дорожек (треков). Количество дорожек  на МД и их информационная емкость  зависят от типа МД, конструкции  накопителя на МД, качества магнитных головок и магнитного покрытия.

     Каждая  дорожка МД разбита на сектора. В  одном секторе дорожки может  быть помещено 128, 256, 512 или 1024 байт, но обычно 512 байт данных. Обмен данными между НМД и ОП осуществляется последовательно целым числом секторов. Кластер - это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки.[3] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2. Жесткие диски 

     В качестве накопителей на жестких  магнитных дисках (НЖМД) широкое  распространение в ПК получили накопители типа "винчестер".

     Термин  винчестер возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром "30/30" известного охотничьего ружья "Винчестер".

     В этих накопителях один или несколько  жестких дисков, изготовленных из сплавов алюминия или из керамики и покрытых ферролаком, вместе с  блоком магнитных головок считывания/записи помещены в герметически закрытый корпус. Емкость этих накопителей благодаря чрезвычайно плотной записи, получаемой в таких несъемных конструкциях, достигает нескольких тысяч мегабайт; быстродействие их также значительно более высокое, нежели у НГМД.

     Максимальные  значения на 1995 г.:

     емкость 5000 Мбайт (стандарт емкости на 1995 г.-850 Мбайт); скорость вращения 7200 об./мин; время доступа - 6 мс; трансфер - 11 Мбайт/с. НЖМД весьма разнообразны. Диаметр дисков чаще всего 3,5" (89 мм), но есть и другие, в частности 5,25" (133 мм) и 1,8" (45 мм). Наиболее распространенная высота корпуса дисковода 25 мм у настольных ПК, 41 мм - у машин-серверов, 12 мм - у портативных ПК и др.

     В современных винчестерах стал использоваться метод зонной записи. В этом случае все пространство диска делится на несколько зон, причем во внешних зонах секторов размещается больше данных, чем во внутренних. Это, в частности, позволило увеличить емкость жестких дисков примерно на 30%.

     Для того чтобы получить на магнитном носителе структуру диска, включающую в себя дорожки и сектора, над ним должна быть выполнена процедура, называемая физическим, или низкоуровневым, форматированием (physical, или low-level formatting). В ходе выполнения этой процедуры контроллер записывает на носитель служебную информацию, которая определяет разметку цилиндров диска на сектора и нумерует их. Форматирование низкого уровня предусматривает и маркировку дефектных секторов для исключения обращения к ним в процессе эксплуатации диска.

     Максимальная емкость и скорость передачи данных существенно зависят от интерфейса, используемого накопителем.

     Распространенный  сейчас интерфейс AT Attachment (ATA), широкоизвестный  и под именем Integrated Device Electronics (IDE), предложенный в 1988 г. пользователям ПК IBM PC/AT, ограничивает емкость одного накопителя 504 Мбайтами (эта емкость ограничена адресным пространством традиционной адресации "головка - цилиндр - сектор": 16 головок * 1024 цилиндра * 63 сектора * 512 байт в секторе = 504 Кбайта = 528 482 304 байта) и обеспечивает скорость передачи данных 5-10 Мбайт/с.

     Интерфейс Fast ATA-2 или Enhanced IDE (EIDE), использующий как  традиционную (но расширенную) адресацию  по номерам головки, цилиндра и сектора, так и адресацию логических блоков (Logic Block Address LBA), поддерживает емкость диска до 2500 Мбайт и скорость обмена до 16 Мбайт/с. С помощью EIDE к материнской плате может подключаться до четырех накопителей, в том числе и CD-ROM, и НКМЛ. Для старых версий BIOS для поддержки EIDE нужен специальный драйвер.

     Наряду  с ATA и ATA-2 широко используются и две  версии более сложных дисковых интерфейсов Small Computer System Interface (интерфейс малых  компьютерных систем): SCSI и SCSI-2. Их достоинства: высокая скорость передачи данных (интерфейс Fast Wide SCSI-2 и ожидаемый в ближайшее время интерфейс SCSI-3 поддерживают скорость до 40 Мбайт/с), большое количество (до 7 шт.) и максимальная емкость подключаемых накопителей. Их недостатки: высокая стоимость (примерно в 5 -10 раз дороже ATA), сложность установки и настройки. Интерфейсы SCSI-2 и SCSI-3 рассчитаны на использование в мощных машинах-серверах и рабочих станциях.

     Для повышения скорости обмена данными  процессора с дисками НЖМД следует  кэшировать. КЭШ-память для дисков имеет  то же функциональное назначение, что и КЭШ для основной памяти, т.е. служит быстродействующим буфером памяти для кратковременного хранения информации, считываемой или записываемой на диск. КЭШ-память может быть встроенной в дисковод, а может создаваться программным путем (например, драйвером Microsoft Smartdrive) в оперативной памяти. Скорость обмена данными процессора с КЭШ-памятью диска может достигать 100 Мбайт/с.

     В ПК имеется обычно один, реже несколько  накопителей на жестких магнитных  дисках. Однако в MS DOS (MicroSoft Disk Operation System - дисковая операционная система фирмы Microsoft) программными средствами один физический диск может быть разделен на несколько "логических" дисков; тем самым имитируется несколько НМД на одном накопителе.[5] 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     3. Дисковые массивы RAID

     В машинах-серверах баз данных и в  суперЭВМ часто применяются дисковые массивы RAID (Redundant Array of Independent Disks - матрица  с резервируемыми независимыми дисками), в которых несколько накопителей  на жестких дисках объединены в один большой логический диск, при этом используются основанные на введении информационной избыточности методы обеспечения достоверности информации, существенно повышающие надежность работы системы (при обнаружении искаженной информации она автоматически корректируется, а неисправный накопитель в режиме Plug and Play (вставляй и работай) замещается исправным).[1]

     Существует  несколько уровней базовой компоновки массивов RAID:

     1-й  уровень включает два диска,  второй из которых является  точной копией первого;

     2-й  уровень использует несколько дисков специально для хранения контрольных сумм и обеспечивает самый сложный функционально и самый эффективный метод исправления ошибок;

     3-й  уровень включает четыре диска:  три информационных, а четвертый  хранит контрольные суммы, обеспечивающие исправление ошибок в первых трех;

     4-й  и 5-й уровни используют диски,  на каждом из которых хранятся  свои собственные контрольные  суммы.

     Дисковые  массивы второго поколения - RAID6 и RAID7. Последние могут объединять до 48 физических дисков любой емкости, формирующих до 120 логических дисков; имеют внутреннюю КЭШ-память до 256 Мбайт и разъемы для подключения внешних интерфейсов типа SCSI. Внутренняя шина X-bus имеет пропускную способность 80 Мбайт/с (для сравнения: трансфер SCSI-3 до 40 Мбайт/с, а скорость считывания с физического диска до 5 Мбайт/с).

     Среднее время наработки на отказ в  дисковых массивах RAID - сотни тысяч  часов, а при 2-м уровне компоновки - до миллиона часов. В обычных НМД  эта величина не превышает тысячи часов. Информационная емкость дисковых массивов RAID - от 3 до 700 Гбайт (максимальная достигнутая в 1995 г. емкость дисковых накопителей 5,5 Тбайта=5500 Гбайт).

     Применяются и НЖМД со сменными пакетам и дисков (накопители Бернулли), использующие пакеты из дисков диаметром 133 мм, они имеют емкость от 20 до 230 Мбайт и меньшее быстродействие, но более дорогие, чем винчестеры. Основное их достоинство: возможность накопления и хранения пакетов вне ПК.

     Основные  направления улучшения характеристик  НМД:

     использование высокоэффективных дисковых интерфейсов (E1DE, SCSI); использование более совершенных магнитных головок, позволяющих увеличить плотность записи и, следовательно, емкость диска и трансфер (без увеличения скорости вращения диска). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. Компакт-диски.

     Общии сведения о компакт-дисках

       В 1982 году фирмы Sony и Philips завершили работу над форматом CD-аудио (Compact Disk), открыв тем самым эру цифровых носителей на компакт-дисках. Принцип работы этих дисков – оптический. Чтение и запись осуществляется лазером. В компакт-диске данные кодируются и записываются в виде последовательности отражающих и не отражающих участков. Отражение интерпретируется как единица, «впадина» - как ноль.

       Приведу некоторые технические параметры  компакт-дисков. Рабочая длина волны  лазера - 780 нм. Диаметр компакт-диска 120 мм. Толщина диска 1,2 мм. Объем диска 700 Мб (74 мин аудио). Вес 14-33 г. Цепочка углублений (pits) расположена по спирали как в грампластинке, но в направлении от центра (фактически CD является устройством последовательного доступа с ускоренной перемоткой). Интервал между витками - 1.6 мкм, ширина пита - 0.5 мкм, глубина - 0.125 мкм (1/4 длины волны луча лазера в поликарбонате), минимальная длина - 0.83 мкм (рис. 1). 

     Рис. 1. Поверхность компакт-диска.

     Существуют  модификации в 80 минут (700 МБ), 90 минут (791 МБ) и 99 минут (870 MB). Номинальная (1x) скорость передачи данных - 150 КБ/сек (176400 байт/сек аудио или "сырых" данных, 4.3 Мбит/сек "физических" данных). В то время как все магнитные диски вращаются с постоянным числом оборотов в минуту, то есть с неизменной угловой скоростью (CAV, Constant Angular Velocity), компакт-диск вращается обычно с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить постоянную линейную скорость при чтении (CLV, Constant Linear Velocity). Таким образом, чтение внутренних сторон осуществляется с увеличенным, а наружных - с уменьшенным числом оборотов. Именно этим обуславливается достаточно низкая скорость доступа к данным для компакт-дисков по сравнению, например, с винчестерами.[2] 

     Классификация компакт-дисков

     Существует множество стандартов и форматов компакт-дисков – в зависимости от назначения и производителей. Приведу для примера далеко не все существующие: Audio CD (CD-DA), CD-ROM (ISO 9660, mode 1 & mode 2), Mixed-mode CD, CD-ROM XA (CD-ROM eXtended Architecture, mode 2, form 1 & form 2), Video CD, CD-I (CD-Interactive), СD-I-Ready, CD-Bridge, Photo CD (single & multi-session), Karaoke CD, CD-G, CD-Extra, I-Trax, Enhanced CD (CD Plus), Multi-session CD, CD-Text, CD-WO (Write-Once). Полное описание их займет слишком много места, и это не является целью написания данной работы.

       В зависимости же от количества возможных  операций записи компакт-диски разделяются  на: CD-ROM (read only memory), CD-R (recordable), они же CD-WORM (write once read many), CD-RW (rewritable). Соответственно, СD-ROM изготавливается на заводе, и дальнейшая запись на него невозможна; CD-R предназначен для однократной записи в домашних условиях; CD-RW допускает множество операций записи. Диски CD-ROM представляют собой поликарбонат, покрытый с одной стороны отражающим слоем (алюминий или - для ответственных применений - золото) и защитным лаком с другой. Смена отражающей способности осуществляется за счет штамповки углублений в металлическом слое. На заводе их просто штампуют с матрицы.

    Формат  компакт-дисков

       Поверхность диска разделена на области:

• PCA (Power Calibration Area). Используется для настройки мощности лазера записывающим устройством. 100 элементов.
• PMA (Program Memory Area). Сюда временно записываются координаты начала и конца каждого трека при извлечении диска из записывающего устройства без закрытия сессии. 100 элементов.
• Вводная область (Lead-in Area) - кольцо шириной 4 мм (диаметр 46-50 мм) ближе к центру диска (до 4500 секторов, 1 минута, 9 MB). Состоит из 1 дорожки (Lead-in Track). Содержит TOC (абсолютные временные адреса дорожек и начала выводной области, точность - 1 секунда).
• Область данных (program area, user data area).
• Выводная область (Lead-out) - кольцо 116-117 мм (6750 секторов, 1.5 минуты, 13.5 MB). Состоит из 1 дорожки (Lead-out Track).

       Каждый  байт данных (8 бит) кодируется 14-битным символом на носителе (кодировка EFM). Символы  отделяются 3-битными промежутками, выбираемыми так, чтобы на носителе не было более 10 нулей подряд.

       Из 24 байтов данных (192 бита) формируется кадр (F1-frame), 588 битов носителя, не считая промежутков:

• синхронизация (24 бита носителя)
• символ субкода (биты субканалов P, Q, R, S, T, U, V, W)
• 12 символов данных
• 4 символа контрольного кода
• 12 символов данных
• 4 символа контрольного кода

       При декодировании могут использоваться различные стратегии обнаружения  и исправления групповых ошибок (вероятность обнаружения против надежности коррекции).

       Последовательность  из 98 кадров образует сектор (2352 информационных байта). Кадры в секторе перемешаны, чтобы уменьшить влияние дефектов носителя. Адресация сектора произошла от аудиодисков и записывается в формате A-Time - mm:ss:ff (минуты:секунды:доли, доля в секунде от 0 до 74). Отсчет начинается с начала программной области, т.е. адреса секторов вводной области отрицательные. Биты субканалов собираются в 98-битные слова для каждого субканала (из них 2 бита - синхронизация). Используются субканалы:

• P - маркировка окончания дорожки (min 150 секторов) и начала следующей (min 150 секторов).
• Q - дополнительная информация о содержимом дорожки:
• число каналов
• данные или звук
• можно ли копировать
• признак частотных предыскажений (pre-emphasis): искусственный подъем высоких частот на 20 дБ
• режим использования подканала
• q-Mode 1: во вводной области здесь хранится TOC, в программной области - номера дорожки, адреса, индексы и паузы
• q-Mode 2: каталоговый номер диска (тот же, что на штрих-коде) - 13 цифр в формате BCD (MCN, ENA/UPC EAN)
• q-Mode 3: ISRC (International Standard Recording Code) - код страны, владельца, год и серийный номер записи
• CRC-16

       Последовательность  секторов одного формата объединяется в дорожку (трек) от 300 секторов (4 секунды, см. субканал P) до всего диска. На диске  может быть до 99 дорожек (номера от 1 до 99). Трек может содержать служебные области:

• пауза - только информация субканалов, нет пользовательских данных
• pre-gap - начало трека, не содержит пользовательских данных и состоит из двух интервалов: первый длиной не менее 1 секунды (75 секторов) позволяет "отстроиться" от предыдущего трека, второй длиной не менее 2 секунд задает формат секторов трека
• post-gap - конец трека, не содержит пользовательских данных, длиной не менее 2 секунд

       Вводная цифровая область должна завершаться  постзазором. Первый цифровой трек должен начинаться со второй части предзазора. Последний цифровой трек должен завершаться постзазором. Выводная цифровая область не содержит предзазора.[5]

       Практическая  часть

       Вариант 14

       Используя ППП на ПК, необходимо определить расходы на содержание одного учащегося в группе продленного дня в городской школе в год по имеющимся данным.

Вычислите:

• Сумму расходов на питание учащегося в текущем и проектируемом году;
• Сумму расходов на содержание учащегося в текущем и проектируемом году;
• Абсолютное и относительное изменение исчисленных показателей проектируемого года к показателям текущего в виде таблицы.