Внешняя память ПК

«МАТИ»  РГТУ им. К. Э. Циолковского 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа

По  предмету: Информатика

Тема: «Внешняя память ПК» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2008

Содержание: 
 

1. Введение           3

2. Стримеры           4

3. Накопители  прямого доступа        5

4. НГМД           7

5. НЖМД           7

6. CD-Rom           8

7. DVD-Rom                    10

8. Blue Ray                    11

9. Другие носители информации                 11

10. Список используемой  литературы                13

11. Выполнение  практического задания                14

Введение 

     В  1945 г. Джон фон Нейман (1903-1957), американский ученый, выдвинул идею использования внешних запоминающих устройств для хранения программ и данных. Нейман разработал структурную принципиальную схему компьютера. Схеме Неймана соответствуют и все современные компьютеры.

     Внешняя  память предназначена для долговременного  хранения программ и данных. Устройства  внешней памяти (накопители) являются  энергонезависимыми, выключение питания  не приводит к потере данных. Они могут быть встроены в  системный блок или выполнены  в виде самостоятельных блоков, связанных с системным через его порты. Важной характеристикой внешней памяти служит ее объем. Объем внешней памяти можно увеличивать, добавляя новые накопители. Не менее важными характеристиками внешней памяти являются время доступа к информации и скорость обмена информацией. Эти параметры зависят от устройства считывания информации и организации типа доступа к ней.

     По  типу доступа к информации  устройства внешней памяти делятся  на два класса: устройства прямого  (произвольного) доступа и устройства  последовательного доступа. При  прямом (произвольном) доступе время  доступа к информации не зависит  от ее места расположения на  носителе. При последовательном  доступе время доступа зависит  от местоположения информации.

     Скорость  обмена информацией зависит от  скорости ее считывания или  записи на носитель, что определяется, в свою очередь, скоростью вращения  или перемещения этого носителя  в устройстве.

     Внешняя  (долговременная) память - это место  хранения данных, не используемых  в данный момент в памяти  компьютера.

Устройства внешней  памяти - это, прежде всего, магнитные  устройства для хранения информации.

     По  способу записи и чтения накопители  делятся, в зависимости от вида  носителя, на магнитные, оптические и магнитооптические.

     Раньше  в вычислительной технике к  внешним устройствам (взу) относили устройства хранения дискретной информации, главным образом, на магнитных лентах, барабанах, дисках.

     Кто  не знает, что такое магнитофон? На магнитофон мы можем записать  речь, музыку, а затем прослушивать  записи. Звук записывается на  дорожках магнитной ленты с  помощью магнитной головки. С  помощью этого же устройства  магнитная запись снова превращается  в звук.

     Аналогично  действует устройство внешней  памяти ЭВМ - накопитель на  магнитной ленте (стриммер). На дорожки ленты записывается все тот же двоичный код: намагниченный участок - единица, не намагниченный - нуль. При чтении с ленты запись превращается в нули и единицы в битах внутренней памяти.

 Они служат  для запоминания больших массивов  информации - наборов данных, программ  пользователей и операционных  систем. В процессе работы вычислительной  системы по мере необходимости  производится оперативный обмен  информационными массивами между  ВЗУ и основной памятью.

     Положительным  качеством ЗУ на магнитных  лентах, дисках, барабанах по сравнению  с оперативными ЗУ, например, на ферритовых сердечниках является их большая емкость при сравнительно низкой стоимости хранения единицы информации. Во многих ВЗУ имеется возможность быстрой смены носителей информации: катушек с магнитной лентой, пакетов магнитных дисков. Это позволяет, как бы беспредельно наращивать их емкость.

     Для  того, чтобы полностью оценить новейшие разработки в области внешних запоминающих устройств необходимо знать, с чего все начиналось, т. е. Историю ВЗУ.

Стримеры 

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. 

Стримеры  сегодня

Менеджеры информационных систем, на плечи которых взвалена забота о хранении данных, уже давно  выработали требования к применяемым  для этого аппаратным средствам. Во-первых, их мало утешает теоретическая  неисчерпаемость накопителей со сменными носителями. Желательно, чтобы  каждый отдельно взятый картридж обладал  как можно большей емкостью. Понятно  почему. 

Во-вторых, сегодня  от менеджеров требуют обеспечить практически  непрерывную работу компьютерных систем и серверов. А раз так, то и накопители должны обладать высокой производительностью. Только тогда можно быстро восстановить работоспособность системы после  сбоев. Да и на копирование данных на ленту нельзя тратить слишком  много времени. Желательно, чтобы  этот процесс почти не требовал вмешательства  оператора, а в идеале и вовсе  выполнялся автоматически. 

Далее, краеугольной остается проблема надежности хранения информации. Ее сегодня очень много, часть записанных данных используется активно, другие файлы могут годами ждать часа, когда к ним обратятся. А посему накопители и носители должны обладать гибкостью, позволяющей их использовать как для оперативного поиска информации, так и для долгосрочного  архивирования. 

Современные стримеры в целом удовлетворяют всем этим требованиям. Сегодня наибольший интерес  для менеджеров информационных систем представляют два класса ленточных  накопителей, отличающиеся принципом  записи данных. 

Долгое время  наиболее доступными и интересными  были накопители, в которых запись данных производится наклонно-строчным методом. В таких стриммерах головки чтения и записи размещены на вращающемся с высокой скоростью ( порядка 2000 оборотов в минуту) барабане, вдоль которого с небольшой линейной скоростью протягивается магнитная лента. Этот принцип всем знаком по бытовым видеомагнитофонам и цифровым аудиомагнитофонам DAT. Собственно, последние и послужили основой для создания стримеров. 

Другой способ записи в компьютерной технике применялся намного раньше, но потом отошел на второй план. Сегодня он обрел  вторую жизнь, воплотившись в DLT-стримерах. В этих устройствах данные записываются обычной неподвижной головкой, лента  вдоль которой протягивается  с высокой скоростью - от 2.5 до 3.8 метра в секунду. Головки в DLT-стримерах записывают сразу много параллельных треков, расположенных линейно вдоль ленты. 
 

Накопители  прямого доступа

  Общие сведения

     К  ЗУ прямого доступа в номенклатуре  технических средств ес эвм относятся устройства хранения информации на магнитных дисках и барабанах. основная особенность их заключается в том, что время поиска любой записи мало зависит от ее местоположения на носителе. Каждая физическая запись на носителе имеет адрес, по которому обеспечивается непосредственный доступ к ней минуя остальные записи.

     Это  свойство ЗУ прямого доступа  отличает их от ЗУ на магнитной  ленте и от всех других типов  устройств ввода - вывода ЕС ЭВМ.

     Во  всех накопителях прямого доступа,  как и в накопителях на магнитной  ленте, используется принцип электромагнитной  записи информации на движущийся  носитель. Носителями информации  в накопителях прямого доступа  служат магнитные диски или  барабаны, которые в рабочем состоянии  постоянно вращаются с большой  скоростью. Магнитные диски собираются  зачастую в виде пакета из  нескольких дисков. Накопители на  магнитных дисках подразделяются  на две группы: накопители на  сменных магнитных дисках, на  которых можно осуществлять быструю  смену пакетов магнитных дисков  и Накопители на постоянных  магнитных дисках, в которых пакет  магнитных дисков или один  диск стационарно устанавливается  в заводских условиях и не  может быть оперативно заменен.

    ЗУ  с накопителями на постоянных  магнитных дисках и на магнитных  барабанах используются в машине  как устройства внешней памяти  большой емкости. ЗУ на сменных  магнитных дисках по системотехническим  возможностям подобны ЗУ на магнитной ленте. Они служат только внешней памятью, но и устройствами ввода вывода информации. Пакеты сменных магнитных дисков удобны в хранении. Из них на вычислительных центрах создаются библиотеки, что позволяет как бы неограниченно наращивать емкость внешней памяти вычислительных систем.

     Сравнительный  анализ основных технических  и функциональных параметров  ЗУ на магнитной ленте и  ЗУ прямого доступа показывает, что они имеют примерно одинаковую  емкость и скорость обмена  информацией при записи и считывании. Несомненным преимуществом ЗУ  прямого

доступа является малое время поиска информации на носителе. Однако стоимость хранения единицы информации на магнитных  дисках и барабанах примерно на порядок  больше, чем на магнитных лентах.

Принципы работы накопителя на сменных магнитных  дисках

     Пакет  магнитных дисков ЕС-5053 состоит  из шести алюминиевых дисков, внешний диаметр которых равен  336,4 мм. Поверхности дисков покрыты ферролаком толщиной 4-5 мкм или кобальто-вольфрамовым сплавом толщиной 0,25-0,30 мкм. В последнем случае магнитный слой наносится гальваническим методом на медную подложку. К дискам предъявляются высокие требования по однородности магнитных свойств и по таким геометрическим характеристикам, как плоскостность, толщина, шероховатость поверхности и т. д. Для записи информации используются десять внутренних поверхностей дисков, внешние поверхности верхнего и нижнего дисков не используются.

Магнитные слои иногда наносится гальваническим методом  на равном расстоянии по внешнему диаметру, причем в одном месте сделана  двойная прорезь, которая служит началом отсчета для  каждого  рабочего диска  и называется индексом или маркером.

     Информация  записывается на рабочих поверхностях  дисков по концентрическим окружностям  - дорожкам. Если в процессе эксплуатации пакета появляется дефект в покрытии на какой-либо из рабочих дорожек, то вся эта дорожка не употребляется, а вместо нее используется одна из запасных дорожек.

     На  одной дорожке может быть записано  последовательно бит за битом  3625 байтов. Поскольку на каждой дорожке располагается одинаковое число байтов, то плотность записи изменяется от дорожки к дорожке: на внешней дорожке - 30 бит/мм, на внутренней - 44 бит/мм. Десять дорожек, расположенных друг под другом на всех десяти рабочих поверхностях дисков, образуют так называемый цилиндр. Емкость одного цилиндра составляет 36250 байт, а емкость всего пакета - 7,25 Мбайт.

     В  рабочем состоянии пакет дисков  постоянно вращается в накопителе  с угловой скоростью 255 рад/с  (2400 об/мин). Для записи и считывания информации накопитель имеет десять магнитных головок: по одной головке на каждую рабочую поверхность. Магнитная головка состоит из универсальной головки (для записи и воспроизведения информации)  и головки стирания, размещенных в одном корпусе. Магнитные головки располагаются друг под другом и укреплены на каретке, которая может перемещать их в радиальном направлении по отношению к дискам. Каретка может фиксироваться в одном из 203 положений, располагая, таким образом, головки на одном из цилиндров. Запись и считывание информации в пределах одного цилиндра осуществляется без механического перемещения каретки с магнитными головками. Одновременно работает только одна головка из десяти. Она поразрядно записывает или считывает информацию на одной дорожке. Выбор дорожки в цилиндре осуществляется электронной коммутацией головки. Выбранная головка подключается к единому тракту записи - воспроизведения.

     Головки   нумеруются  снизу вверх от 0 до 9. Таким образом, адрес каждой  дорожки  в   пакете   определяется  адресом   цилиндра и   номером  головки.

В отличие от накопителя на магнитных лентах в  накопителях прямого доступа  используется бесконтактный метод  записи и считывания информации. Это  обусловлено тем, что диски неэластичны  и контакт их с головками может  привести к механическому повреждению  магнитного слоя дисков. С другой стороны, нежелательно жестко фиксировать головки  в пространстве над поверхностями  дисков, так как практически невозможно изготовить диски абсолютно плоскими, а, следовательно, из-за неровности их поверхностей при вращении дисков расстояние между головками и магнитным  слоем постоянно изменялось бы. Это, во-первых, не позволяет обеспечить высокую плотность записи и, во-вторых, отражается на амплитуде считываемых  сигналов. Компенсировать некоторые  дефекты можно, используя в накопителях  прямого доступа так называемых «плавающих» магнитных головок.

С уменьшением  частоты вращения дисков головки  автоматически отводятся от поверхностей дисков на расстояние 0,4-1,5 мм и выводятся из пакета (в некоторых накопителях, не поднимаясь над поверхностью).

     В  накопителях прямого доступа  применяется двухчастотный последовательный  способ записи информации с  самосинхронизацией при воспроизведении.  Способ этот состоит в том,  что байты записывают последовательно  бит за битом на одну дорожку.  Во время записи в накопитель  постоянно поступают синхронизирующие  импульсы. Для записи единицы  в интервале между СИ подается  дополнительный импульс, при записи  нуля дополнительный импульс  отсутствует.

Таким образом, если записываются единицы, то частота  импульсов, поступающих в накопитель, удваивается по сравнению с частотой синхроимпульсов или, что то же самое, с частотой импульсов при записи нулей. Поэтому данный способ записи получил название двухчастотного.

     Применение  в накопителях со сменными  пакетами магнитных дисков двухчастотного  способа записи предусмотрено  рекомендациями ИСО. Структура  записи информации по дорожкам (адреса, наборы данных и др.).

     Итак, мы познакомились с историей  ВЗУ и переходим к современным  и разрабатывающимся вариантам. 
 

Накопитель  на гибких магнитных  дисках (НГМД - дисковод)

    Это  устройство использует в качестве  носителя информации гибкие магнитные  диски - дискеты, которые могут  быть 5-ти или 3-х дюймовыми.  Дискета - это магнитный диск  вроде пластинки, помещенный в  картонный конверт. В зависимости  от размера дискеты изменяется  ее емкость в байтах. Если на  стандартную дискету размером 5’25 дюйма помещается до 720 Кбайт информации, то на дискету 3’5 дюйма уже  1,44 Мбайта. Дискеты универсальны, подходят на любой компьютер того же класса оснащенный дисководом, могут служить для хранения, накопления, распространения и обработки информации. Дисковод - устройство параллельного доступа, поэтому все файлы одинаково легко доступны. Сейчас дискеты применяются в основном для резервирования небольших объемов данных и для распространения информации. Дискеты размером 5’25 дюйма морально устарели и используются редко. Наибольшим  распространением из накопителей на гибких магнитных дискахпользуется дискета 3’5 дюйма или флоппи-диски (floppy disk).

     Диск  покрывается сверху специальным  магнитным слоем, который обеспечивает  хранение данных. Информация записывается  с двух сторон диска по дорожкам, которые представляют собой концентрические  окружности. Каждая дорожка разделяется  на секторы. Плотность записи  данных зависит от плотности  нанесения дорожек на поверхность,  т. е. числа дорожек на поверхности  диска, а также от плотности  записи информации вдоль дорожки. 

    Если  при покупке на поверхность  диска не нанесены дорожки  и секторы, то его нужно подготовить  для записи данных, отформатировать.  Для этого в состав системного  программного обеспечения включена  специальная программа, которая  производит форматирование диска.

    К  недостаткам относятся маленькая  емкость, что делает практически  невозможным долгосрочное хранение  больших объемов информации, и  не очень высокая надежность  самих дискет.

Накопитель  на жестком магнитном  диске (нжмд - винчестер)    

Является  логическим продолжением развития технологии магнитного хранения информации. Появились  несколько лет назад и уже  завоевали огромную популярность благодаря своим многочисленным достоинствам: 

   - чрезвычайно большая емкость;  

   - простота и надежность использования;  

   - возможность обращаться к тысячам файлов одновременно;  

   - высокая скорость доступа к данным.  

   Из недостатков можно выделить лишь отсутствие съемных носителей информации, все данные записаны внутри винчестера на жестких магнитных дисках. (В настоящее время используются внешние винчестеры и системы резервного копирования с дисками по типу дискет). Емкости современных винчестеров поистине устрашающи: еще пять лет назад винчестер емкостью 100 Мбайт казался недостижимым идеалом, пределом заветных мечтаний - казалось, что и половины его пространства хватит на много лет работы. Но прошло пять лет, и такие винчестеры уже даже не выпускаются как морально устаревшие. Им на смену пришли новые, более быстрые, более вместительные аппараты. Винчестеры емкостью 850 Мб, 1.6, 2.1, 3.5, 4.3 Гигабайт давно ни кого не удивляют. А ведь существуют винчестеры в 1000 раз более емкие - речь идет о Терабайтах информации. Одного такого винчестера хватило бы, чтобы записать всю историю Древнего Мира.  

   Но пока они используются только в очень солидных организациях.

     В  компьютере предусмотрена возможность  с помощью специальной системной  программы условно разбивать  один диск на несколько. Такие  диски, которые не существуют  как отдельное физическое устройство, а представляют лишь часть  одного физического диска, называются  логическими дисками. Логическим  дискам присваиваются имена, в  качестве которых используются  буквы латинского алфавита [С:], [D:], [Е:], [F:] и т. д.

Проблема увеличения объема диска

Для того, чтобы  при сохранении физического размера  диска ( еще лучше - его уменьшения) на него записывать больше информации необходимо увеличивать плотность записи данных на диск.

С 1997 года в среднем  производители жестких дисков увеличивали  плотность записи вдвое каждый год.

      До сих пор покрытие дисков  состояло из сплава кобальта, платины, хрома и бора. Это ферромагнитный сплав, который состоит из частиц, способных под воздействием внешнего магнитного поля записывающей головки менять свои магнитные свойства, например, магнитные полюса. Для увеличения плотности записи эти частицы должны становиться мельче, а магнитный слой - тоньше. Но физическая природа этих частиц не позволяет уменьшать их размер бесконечно, т.к. на магнитные свойства малых частиц уже влияет не только магнитное поле, но и температура - при нагревании диска с него может теряться информация.

Эту проблему пытались решать двумя способами - создавали  технологии обработки и улучшения  качества сигнала, полученного магнитными головками и создавали сплавы более устойчивые ко внешним воздействиям на частицы. Но такие сплавы требуют более мощные головки записи, что приводит к увеличению энергозатрат и нагреванию диска.

      Интересное решение проблемы  представила в 2001 году компания IBM. Ученые компании разработали  технологию «волшебной пыли»  - PIXIE DUST. Эта «антиферромагнитносвязанная» (afc) многослойная структура позволяет одновременно повысить плотность и надежность записи. В 2001 году «пыль» состояла из рутениевого слоя толщиной в три атома, расположенного между двумя такими же тонкими магнитными слоями. Сверхтонкий слой рутения - металла, не обладающего магнитными свойствами - заставляет смежные слои приобретать противоположную магнитную ориентацию. За счет этого обеспечивается автономность работы отдельных слоев покрытия. При этом намагниченность покрытия надежно удерживается благодаря общей толщине pixie dust.

     В  2002 году специалисты IBM усовершенствовали  технологию, добавив в pixie dust еще два тончайших слоя из рутения и магнитного сплава. С помощью нового покрытия создан жесткий диск для ноутбука Travelstar 80GN с самой высокой в мире плотностью записи - 70 Гигабит на квадратный дюйм.

Устройство чтения компакт-дисков (CD-Rom)

    В  этих устройствах используется  принцип считывания сфокусированным  лазерным лучом бороздок на  металлизированном несущем слое  компакт-диска. Этот принцип позволяет  достичь высокой плотности записи  информации, а, следовательно и большой емкости при минимальных размерах. Компакт-диск является идеальным средством хранения информации плюс дешев, практически не подвержен каким-либо влияниям среды, информация записанная на нем не исказится и не сотрется, пока диск не будет уничтожен физически, имеет емкость 650 мбайт, сравнимую с неплохим винчестером при этом его производство несравнимо дешевле и проще, при размерах с 5-ти дюймовую дискету вмещает информации в 900 раз больше, чем дискета.  

   Имеет только один недостаток - на компакт-диск нельзя записывать информацию. данные на него записываются либо в процессе производства, либо потом, пользователем (устройство cd-r), но только единожды.  

Технические детали

     Компакт-диски  изготавливаются из поликарбоната  толщиной 1,2 мм, покрытого тончайшим слоем алюминия (ранее использовалось золото) с защитным слоем из лака, на котором обычно наносится графическое представление содержания диска. Поэтому, вопреки распространённому мнению, компакт-диск никогда не следует класть вверх ногами (этикеткой вниз), так как отражающий алюминиевый слой, на котором и хранятся данные, снизу защищён, как было сказано выше, 1,2-миллиметровым слоем поликарбоната, а сверху — лишь тонким слоем лака. Кроме того, на отражающей стороне имеется кольцевой выступ высотой 0,5 мм, позволяющий диску, положенному на ровную поверхность, не касаться этой поверхности. В центре диска расположено отверстие диаметром 15 мм (при желании диск можно переносить, надев на палец, вообще не прикасаясь к его поверхности). 

     Компакт-диски  имеют в диаметре 12 см и изначально вмещали до 650 мегабайт информации (или 74 минуты аудио). Есть предположение, что разработчики рассчитывали объём так, чтобы на диске полностью поместилась девятая симфония Бетховена (самое популярное музыкальное произведение в Японии в 1979 году согласно специально проведённому опросу), длящаяся именно 74 минуты. Однако, начиная приблизительно с 2000 года, всё большее распространение получали диски объёмом 700 мегабайт, которые позволяют записать 80 минут аудио, впоследствии полностью вытеснившие диск объемом 650 мегабайт. Встречаются и носители объёмом 800 мегабайт (90 минут) и даже больше, однако они могут не читаться на некоторых приводах компакт-дисков. Бывают также мини-CD (не путать с мини-дисками), диаметром 8 см, на которые вмещается около 140 или 210 Мб данных или 21 минута аудио, и CD, формой напоминающие кредитные карточки (т. н. диски-визитки). 

     Формат  хранения данных на диске, известный  как «Красная Книга» («Red Book», не путать с Красной книгой в привычном понимании), был разработан компанией Philips. В соответствии с ним на компакт-диск можно записывать звук в два канала с 16-битной импульсно-кодовой модуляцией (PCM) и частотой дискретизации 44,1 кГц. Благодаря коррекции ошибок с помощью кода Рида-Соломона, лёгкие царапины не влияют на читаемость диска. Philips также владеет всеми правами на знак «Compact disс digital audio», логотип формата аудио компакт-дисков. 

     Информация  на диске записывается в виде спиральной дорожки так называемых питов (углублений), выдавленных на алюминиевом слое (в отличие от технологии записи CD-ROM’ов где информация записывается цилиндрически). Каждый пит имеет примерно 125 нм в глубину и 500 нм в ширину. Длина пита варьируется от 850 нм до 3,5 мкм. Расстояние между соседними дорожками спирали — 1,5 мкм. Данные с диска читаются при помощи лазерного луча с длиной волны 780 нм, который просвечивает поликарбонатный слой, отражается от алюминиевого и считывается фотодиодом. Луч лазера образует на отражающем слое пятно диаметром примерно 1,5 мкм. Так как диск читается с нижней стороны, каждый пит выглядит для лазера как возвышение. Места, где такие возвышения отсутствуют, называются площадками. 
 

     Чтобы вам было легче представить отношение  размеров диска и пита: если компакт-диск был бы величиной со стадион, пит был бы размером примерно с песчинку. 

     Свет  от лазера, попадающий на площадку, отражается и улавливается фотоприёмником. Если же свет попадает на возвышение, он испытывает интерференцию со светом, отражённым от площадки вокруг возвышения и не отражается. Так происходит потому, что высота каждого возвышения равняется  четверти длины волны света лазера, что приводит к разнице в фазах  в половину длины волны между  светом, отражённым от площадки и светом, отражённым от возвышения.