Внешние запоминающие устройства
Данные, хранящиеся в оперативной памяти компьютера, не сохраняются при выключении электропитания. Уже в самых первых компьютерах возникла необходимость постоянного хранения данных. Для этого использовались перфокарты и перфоленты, затем магнитные ленты и магнитные барабаны. К настоящему времени для постоянного хранения данных используются магнитные и лазерные диски. Устройства для чтения и записи на такие диски называются устройствами внешней памяти. Любой персональный компьютер включает накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопители на жестких магнитных дисках (НМД или винчестер). Большинство содержат также устройство для работы с лазерными дисками (CD-ROM).
В магнитных дисках информация записывается на вращающихся дисках, покрытых магнитным материалом. Поверхность диска условно разбита на концентрические круги – дорожки. Радиус диска называется цилиндром. Пересечение дорожки и цилиндра является элементарной единицей для хранения одного бита информации по принципу: «намагничено» – 1, «не намагничено» - 0. Таким образом, все дорожки имеют одинаковую емкость (содержат одинаковое число бит). Обычно дорожки делятся на блоки данных объемом 512 байт, иногда называемые секторами. Количество секторов, записываемых на одну дорожку, зависит от физических размеров пластины и плотности записи.
Для чтения или записи информации используется специальная магнитная головка, которая может перемещаться по радиальной оси к центру или от центра диска, останавливаясь над любой дорожкой диска. В НГМД магнитные головки касаются поверхности флоппи-дисков. Данные на дорожке просматриваются компьютером последовательно по мере вращения диска. Конструктивно НГМД выполнен таким образом, что установленные в нем магнитные диски можно менять. Сменные магнитные диски называются гибкими магнитными дисками или флоппи-дисками (их также называют дискетами). Гибкие дискеты позволяют переносить документы и программы с одного компьютера на другой, хранить информацию, не используемую постоянно на компьютере, делать архивные копии информации, содержащейся на жёстком диске.
Жесткий диск (винчестер) состоит на самом деле из нескольких (4-9) дисков с магнитным покрытием, вращающихся на общем валу. Для записи данных используются обе поверхности дисков. Вал постоянно вращается с высокой скоростью (обычно 3600 - 7200 оборотов в минуту). Данные записываются или считываются с помощью головок записи/считывания, по одной на каждую поверхность каждого диска. Специальный двигатель на каретке позиционирует головку над заданной дорожкой. Накопитель на магнитных дисках (НМД) представляет собой набор дисков, магнитных головок, кареток, линейных двигателей плюс воздухонепроницаемый корпус. Дисковым устройством называется НМД с относящимися к нему электронными схемами.
Производительность диска включает в себя три основных характеристики: время доступа, время ожидания и время передачи данных. Время доступа - это время, необходимое для позиционирования головок на соответствующую дорожку, содержащую искомые данные. Оно зависит от начального ускорения головки (порядка 6 мс) и числа дорожек, которые необходимо пересечь на пути к искомой дорожке. Среднее время перемещения головки между двумя случайно выбранными дорожками лежат в диапазоне 10-20 мс. Время перехода с дорожки на дорожку меньше 10 мс и обычно составляет 2 мс.
Временем ожидания называется среднее время оборота диска до появления под головкой диска нужного сектора. После этого данные могут быть записаны или считаны. Для современных дисков время полного оборота лежит в диапазоне 8-16 мс, а среднее время ожидания составляет 4-8 мс.
Время передачи данных, т.е. время, необходимое для физической передачи байтов, зависит от числа передаваемых байтов (размера блока), скорости вращения, плотности записи на дорожке и скорости электроники. Типичная скорость передачи равна 1-4 Мбайт/с.
Рассмотрим типичную подсистему ввода-вывода. Такая подсистема включает в себя четыре основных компонента: основной компьютер, главный адаптер, встроенный в дисковое устройство контроллер и собственно накопитель на магнитных дисках.
Когда операционная система получает запрос от пользователя на выполнение операции ввода/вывода, она превращает этот запрос в набор команд главного адаптера. Эти команды пересылаются по системе шин в главный адаптер, после чего процессор отключается от дальнейших операций.
Главный адаптер запрашивает дисковый контроллер о его готовности. Если тот готов, то главный адаптер пересылает ему соответствующую команду. Если контроллер может выполнить команду немедленно, то он пересылает в главный адаптер запрошенные данные (при вводе) или свое состояние (при выводе). Команда ввода может быть обслужена немедленно, только если данные уже находятся в кэш-памяти контроллера. Если это не так, то нужные данные переписываются с диска в кэш-память контроллера. При записи подтверждение записи не поступает в контроллер до тех пор, пока данные действительно не перепишутся из кэш-памяти контроллера на поверхность диска.
После завершения операции ввода/вывода контроллер диска соединяется с главным адаптером, вслед за чем выполняется либо передача данных из контроллера в главный адаптер при вводе, либо указание результата операции при выводе. При выводе главный адаптер проверяет корректность завершения физической операции в контроллере и соответствующим образом информирует операционную систему. Можно сделать вывод, что ввод и вывод информации на внешний носитель содержат большое количество шагов, которые обычно не видны пользователю.
В лазерных дисковых накопителях используется чисто оптический способ кодирования информации. Аналогично магнитным дискам, лазерные диски разбиты на дорожки, однако запись единицы на дорожку диска производится за счет изменения отражающих свойств поверхности. Наиболее употребительны лазерные диски, основанные на механическом изменении рельефа дорожки. Луч лазера направляется на дорожку, проникает сквозь защитный слой пластика и попадает на отражающий слой алюминия на поверхности диска. При попадании луча на выступ, он отражается на детектор и проходит через призму, отклоняющую его на светочувствительный диод.
Если луч попадает в ямку, он рассеивается и лишь малая часть излучения отражается обратно и доходит до светочувствительного диода. На диоде световые импульсы преобразуются в электрические, при этом яркий луч преобразуется в нули, слабый луч - в единицы. Таким образом, ямки воспринимаются дисководом как нули, а гладкая поверхность - как единицы
Существуют три разных типа лазерных накопителей. Диски первого типа можно только читать. Эти накопители работают как сменное ПЗУ и называются CD-ROM. Компакт-диски для накопителей CD-ROM изготавливаются промышленным способом, однако существует специальное устройство, позволяющее записывать лазерные диски самому. Второй тип лазерных накопителей позволяет записывать информацию на лазерный диск только один раз. Это так называемые WORM-накопители. Их удобно использовать для работы с большими объемами редко изменяющейся, но пополняющейся информации, такой как, например, каталоги больших библиотек. Самый удобный, но и самый дорогой тип лазерных накопителей - накопители с перезаписью. Они основаны на других физических принципах и при емкости и быстродействии, сравнимом с быстродействием НМД, пока стоят очень дорого. Однако высокая надежность и возможность смены дисков с данными делают их весьма привлекательными, если необходимо работать с очень большими объемами данных.
Очень редко теперь используются накопители на магнитной ленте или стримеры. По своему принципу действия эти устройства напоминают бытовые кассетные магнитофоны. Чаще всего стримеры используют для резервного копирования содержимого НМД, что позволяет избежать потери данных при выходе НМД из строя. Самые хорошие стримеры позволяют записать на одну кассету с магнитной лентой до 2 Гбайт информации, однако из-за высокой стоимости таких стримеров больше распространены стримеры с кассетами, рассчитанными на запись 150 или 250 Мбайт данных.
Операция ввода - вывода активизируется текущей командой программы или запросом от периферийного устройства ввода - вывода. При программном управлении передачей данных процессор "отвлекается" от выполнения основной программы на все время операции ввода - вывода, следовательно, снижается производительность компьютера.Для ввода блока данных необходимо слишком много операций, таких как преобразование форматов, адресация в памяти, определение начала и конца блока данных. В результате скорость передачи данных снижается.
Более выгоден обмен данными с использованием прямого доступа к памяти (DMA). При этом процессор освобождается от участия в передаче данных и может параллельно выполнять основную программу. Специальное устройство берет на себя управление обменом данных между оперативной памятью и внешними устройствами. Инициатором обмена данными в этом случае является периферийное устройство, которое посылает запрос об обмене данными на устройство DMA. Последнее, получив предварительно от процессора сигнал подтверждения, посылает в память сигнал чтения или записи и определяет ячейку памяти, с которой начнется обмен данными. Далее происходит обмен данными между оперативной памятью и внешним устройством.
