Устройства внешней памяти

  ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 

  МОСКОВСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ  И ИНФОРМАТИКИ(МГУПИ) 
 
 
 

  РЕФЕРАТ

  По  дисциплине «Интерфейсы пер. устройств» 
 
 

  Тема:

  Устройства  внешней памяти. 
 
 

  Выполнил: студент 5-го курса, специальность 230101

  Суздалев  Александр Владимирович 
 
 
 
 
 

                                                                                                                        Принял:            Кадиев А. Р. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                   Москва2010 
 

Содержание 
 

Введение 3

1. История  5

2. Накопители  на магнитной ленте 7

3. Накопители  прямого доступа 9

3.1. Общие  сведения 9

3.2. Принципы  работы накопителя на сменных  магнитных дисках 10

3.3. Накопитель  на гибких магнитных дисках (НГМД - дисковод) 13

3.4. Накопитель  на жестком магнитном диске  (НЖМД - винчестер) 14

4. Проблема  увеличения объема диска 15

5. Устройство  чтения компакт-дисков (CD-ROM) 16

6. DVD 17

7. Другие  устройства накопления и хранения  информации 19

7.1. Портативные  USB-накопители 20

7.2. USB Flash Drive 20

7.3. Приводы  и диски на 20 Гб 21

7.4. ВЗУ  для мобильных телефонов. 22

Заключение. 24

Список  литературы 25 

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 запомина¬ния больших массивов информации - наборов данных, программ пользователей и операционных систем. В про¬цессе работы вычислительной системы по мере необхо¬димости производится оперативный обмен информацион¬ными 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 боль¬шая емкость при сравнительно низкой стоимости хра¬нения единицы информации. Во многих ВЗУ имеется возможность быстрой смены носителей информации: ка¬тушек с магнитной лентой, пакетов магнитных дисков. Это позволяет, как бы беспредельно наращивать их ем¬кость.

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

1. История

ВЗУ относят  к устрой¬ствам ввода-вывода (по отношению к процессору). ВЗУ со сменными носителями информации могут использо¬ваться для ввода информации в ЭВМ или для вывода результатов вычислений из ЭВМ так же, например, как перфоленточные и перфокарточные устройства ввода - вывода. Однако по сравнению с этими устройствами ВЗУ считывают и записывают информацию с очень вы¬сокой скоростью, а также допускают многократную пе¬резапись информации на одном и том же носителе. Ука¬занные достоинства ВЗУ обусловили их широкое при¬менение в вычислительной технике. Особое значение ВЗУ получили в ЭВМ третьего поколения.

Машины  третьего поколения, в частности  все модели Единой системы ЭВМ (ЕС ЭВМ), работают практически полностью  под управлением той или иной операционной системы. Они имеют  развитое математическое обеспечение, для хранения которого требуются сотни тысяч и миллионы запоминающих ячеек. Основная часть математического обеспечения хранится в ВЗУ. Поэтому в минимальный комплект каждой модели ЕС ЭВМ входят, как правило, запоминающие устройства на магнитных дисках и лентах.

Разработка  автоматизированных систем (АСУ) предусматривает  создание очень больших ин¬формационных  массивов, банков данных, пакетов при¬кладных  программ. Для их хранения лучше  всего под¬ходят ВЗУ. Более того, создание и эксплуатация АСУ на базе ЭВМ без использования ВЗУ не представляется возможным.

Несмотря  на то, что ВЗУ применяют с начала раз¬вития вычислительной техники, в научно-технической литературе описаны они сравнительно мало.

Я бы хотел  в качестве исторической справки  изложить основные принципы построения и функционирования ВЗУ первой ЕС ЭВМ, созданной совместными усилиями специалистами по вычислительной технике стран - членов СЭВ. Здесь приводятся основные технические характеристики ВЗУ на магнитных лентах, сменных и постоянных магнитных дисках и магнитных барабанах. Наибольшее внимание рассмотрению способов размещения информа¬ции (поскольку они унифицированы для типов носителей) и команд, с помощью которых процессор управляет операциями поиска, считывания и за¬писи информации в ВЗУ.

Описанию  отдельных устройств предшествует изло¬жение принципов организации  и функционирования си¬стемы обмена информацией и интерфейса ввода - вы¬вода. Эти вопросы являются общими для внешних устройств всех типов  и всех моделей ЕС ЭВМ.

Введение средств расширения возможностей интер¬фейса ввода - вывода требует использования дополнительных линий. Принято решение об использовании этой целью существовавших ранее резервных линий. Эти линии обеспечивают уплотнение информации в шинах, повторение канальных команд и селективный сброс, вводимый УВУ, без увеличения числа разъемов. Вве¬дение второго комплекта информационных шин требует использования двух дополнительных кабелей: информа¬ционного и маркерного.

Перечисленные возможности усовершенствованного интерфейса ввода - вывода должны учитываться при новых разработках каналов и УВВ. Усовершенствованный интерфейс, сохраняя основные функциональные характеристики, параметры, схемы и конструкции электрических связей интерфейса ввода - вывода ЕС ЭВМ, обеспечивает совместимость ранее выпущенных УВВ с УВВ новых разработок ЕС ЭВМ и имеет средства для выполнения дополнительных функций, расширяющих возможности каналов и устройств ввода - вывода. 

2. Накопители  на магнитной ленте

   Магнитные ленты хранят и используют намотанными на катушки. В ЕС ЭВМ унифицированы катушки двух видов: подающие и принимающие. Ленты по¬ставляются пользователям на подающих катушках и не требуют дополнительной перемотки при установке их в накопители. Лента на катушку наматывается рабочим слоем внутрь.

Основные  размеры одинаковы как для  подающих, так и для принимающих  катушек. Запись информации на магнитную  ленту осуществ¬ляется по девяти дорожкам.

В накопителях  ЕС ЭВМ информация записывается с  продольной плотностью 8 бит/мм, 32 бит/мм, или 63 бит/мм. На девяти дорожках параллельно записы¬вается 8 информационных битов и 1 контрольный бит, которые составляют 1 байт. Для записи контрольного разряда отводится четвертая дорожка. Группа байтов, записываемая по одному КСК или по связанной цепоч¬кой данных последовательности КСК, образует зону.

При плотности  записи 32 бит/мм в конце зоны записываются две контрольные строки: строка циклического контроля (ЦКС) и строка продольного  контроля

(ПКС). ЦКС  записывается на ленте за последним  байтом данных с промежутком в 4 байта. Для формирования ПКС ведется подсчет единиц на каждой дорожке зоны. Их общее число на любой дорожке должно быть четным. Это делается путем записи нуля или единицы в соответствующий разряд ПКС. Строка ПКС записывается после ЦКС с промежутком в 4 байта. При плотности записи 8 и 63 бит/мм, размещение данных на ленте такое же, как и при плотности записи 32 бит/мм, но в конце зоны записывается только ПКС с промежутком в 4 байта от последнего байта данных. Строка ПКС одновременно является признаком конца зоны. Начало зоны определяется по появлению первого байта данных.

Для записи информации с плотностью 8 и 32 бит/ мм используется потенциальный метод  без возвращения к нулю с модификацией по единице называемый методом «без возвращения к нулю» (БВН-1). В зарубежной литературе этот метод сокращенно называют также NRZ-1.

При плотности 63 бит/мм используется другой ме¬тод записи - метод фазовой модуляции или  фазового кодирования (ФК). В каждом такте записи изменяется полярность тока в записывающей головке и, следовательно, изменяется магнитное состояние носителя. Полярность тока изменяется с отрицательной на положительную при записи нуля и с положительной на отрицательную при записи единицы. Происходит как бы изменение фазы тока записи. Логическая схема тракта записи анализирует значение следующей записываемой двоичной цифры: если должна быть записана та же цифра, что и в предыдущем такте, то ток в головке записи предварительно реверсируется. Метод ФК позволяет значительно повысить достоверность выделения сигналов при считывании информации в условиях наложения соседних магнитных отпечатков на носителе. Объясняется это тем, что при изменении частоты в широких пределах фазе искажения сигналов остаются малыми, что позволь проще идентифицировать считываемые сигналы и поэтому реализовать более высокую плотность записи 63 бит/мм. При использовании метода фазового кодирования строка ЦКС не записывается. 

3. Накопители  прямого доступа 

3.1. 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 воз¬можностям 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 вычисли¬тельных систем.

Сравнительный анализ основных технических и функ¬циональных 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 информа¬ции  на носителе. Однако стоимость хранения единицы информации на магнитных дисках и барабанах примерно на порядок больше, чем на магнитных лентах. 
 

3.2. 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 назы¬вается 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, об¬разуют так называемый цилиндр. Емкость одного ци¬линдра составляет 36250 байт, а емкость всего пакета - 7,25 Мбайт.

В рабочем  состоянии пакет дисков постоян¬но 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 укреп¬лены на каретке, которая может перемещать их в ради¬альном 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 перемеще¬ния каретки с магнитными головками. Одновременно ра¬ботает только одна головка из десяти. Она поразрядно записывает или считывает информацию на одной дорож¬ке. Выбор дорожки в цилиндре осуществляется элект¬ронной коммутацией головки. Выбранная головка под¬ключается к единому тракту записи - воспроизведения. 

Головки нумеруются снизу вверх от 0 до 9. Таким образом, адрес каждой дорож¬ки 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 голов¬ками может привести к механическому повреждению магнитного слоя дисков. С другой стороны, нежелатель¬но жестко фиксировать головки в пространстве над по¬верхностями 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 обес¬печить высокую плотность записи и, во-вторых, отража¬ется на амплитуде считываемых сигналов. Компенсиро¬вать некоторые дефекты можно, используя в накопителях прямого доступа так называемых «плавающих» магнит¬ных головок.

С уменьшением  частоты вращения дисков головки  ав¬томатически отводятся от поверхностей дисков на рас¬стояние 0,4-1,5 мм и выводятся  из пакета (в некото¬рых 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. 
 

3.3. 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. 
 

3.4. 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. 

4. 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