Внешняя память компьютера

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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1.1 Компьютерные носители информации, внешняя память компьютера 

Для хранения программ и данных в персональных компьютерах используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотни раз превосходит емкость оперативной памяти. По отношению к компьютеру накопители могут быть внешними и встраиваемыми (внутренними). Внешние накопители имеют собственный корпус и источник питания, что экономит пространство внутри корпуса компьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания. Встраиваемые накопители крепятся в специальных монтажных отсеках (drive bays), что позволяет создавать компактные системы, которые совмещают в системном блоке все необходимые устройства. Сам накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и соответствующего привода. Различают накопители со сменными и несменными носителями.

Накопители  информации представляют собой гамму  запоминающих устройств с различным  принципом действия физическими  и технически эксплуатационными характеристиками. Основным свойством и назначением накопителей информации является хранение и воспроизведение информации. Запоминающие устройства принято делить на виды и категории в связи с их принципами функционирования, эксплуатационно-техническими физическими, программными и др. характеристиками. Так, например, по принципам функционирования различают следующие виды устройств: электронные, магнитные, оптические и смешанные – магнитооптические. Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения, воспроизведения, записи цифровой информации. В связи с видом и техническим исполнением носителя информации различают: электронные, дисковые (магнитные, оптические, магнитооптические), ленточные, перфорационные и другие устройства. 

Магнитные запоминающие устройства. 

Принцип работы магнитных запоминающих устройств  основаны на способах хранения информации с использованием магнитных свойств  материалов. Как правило, магнитные  запоминающие устройства состоят из собственно устройств чтения/записи информации и магнитного носителя, на который, непосредственно, осуществляется запись и с которого считывается информация. Магнитные запоминающие устройства принято делить на виды в связи с исполнением, физико-техническими характеристиками носителя информации и т.д. Наиболее часто различают: дисковые устройства и ленточные устройства. Общая технология магнитных запоминающих устройств состоит в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя и считывания информации, закодированной как области переменной намагниченности. Дисковые носители, как правило, намагничиваются вдоль концентрических полей – дорожек расположенных по всей плоскости круглого носителя. Ленточные носители имеют продольно расположенные поля – дорожки. Запись производится, как правило, в цифровом коде. Намагничивание достигается за счет создания переменного магнитного поля при помощи головок чтения/записи. Головки представляют собой два или более магнитных управляемых контура с сердечниками, на обмотки которых подается переменное напряжение. Изменение полярности напряжения вызывает изменение направления линий магнитной индукции магнитного поля и, при намагничивании носителя, означает смену значения бита информации с 1 на 0 или с 0 на 1.

Магнитные запоминающие устройства широко используются в персональных компьютерах в качестве средств хранения информации. 

Дисковые  устройства. 

Дисковые  устройства делят на гибкие (Floppy Disk) и жесткие (Hard Disk) накопители и носители. Основным свойством дисковых магнитных  устройств является запись информации на носитель на концентрические замкнутые дорожки с использованием физического и логического цифрового кодирования информации. Плоский дисковый носитель вращается в процессе чтения/записи, чем и обеспечивается обслуживание всей концентрической дорожки, чтение и запись осуществляется при помощи магнитных головок чтения/записи, которые позиционируют по радиусу носителя с одной дорожки на другую.

Дисковые  устройства как накопители информации принято делить в связи с их техническими свойствами и характером исполнения, а также принципами записи:

                    1. магнитные дисковые накопители

                    2. оптические дисковые накопители

                    3. магнитооптические дисковые накопители

В настоящее  время, дисковые устройства являются основным видом устройств хранения информации персональных компьютеров. 

Магнитные дисковые накопители - гибкие диски. 

В приводе  флоппи-диска (гибкого диска, или  просто дискеты) имеются два двигателя: один обеспечивает стабильную скорость вращения вставленной в накопитель дискеты, а второй перемещает головки записи-чтения. Скорость вращения первого двигателя зависит от типа дискеты и составляет от 300 до 360 об/мин. Двигатель для перемещения головок в этих приводах всегда шаговый. С его помощью головки перемещаются по радиусу от края диска к его центру дискретными интервалами. В отличие от привода винчестера головки в данном устройстве не «парят» над поверхностью флоппи-диска, а касаются ее.

  Для  подключения разных типов дисководов  предназначены обычно комбинированные кабели с четырьмя разъемами, включенными попарно. Некоторые BIOS компьютеров позволяют программно изменять назначение физического адреса: «первый» (A:) и «второй» (B:) привод. В отличие от винчестеров, для флоппи-дисководов порядок накопителя (A: или B:) определяется именно положением устройства на кабеле.

Для каждого  из типоразмеров дискет (5,25 или 3,5 дюйма) существуют свои специальные приводы  соответствующего форм-фактора.

Дискеты каждого типоразмера (5,25 и 3,5 дюйма) бывают обычно двусторонними (Double Sided, DS), односторонние давно стали анахронизмом. Плотность записи может быть различной: одинарной (Single Density, SD), двойной (Double Density, DD) и высокой (High Density, HD). Поскольку об одинарной плотности уже мало кто вспоминает, такую классификацию обычно упрощают, говоря только о двусторонних дискетах двойной плотности (DS/DD, емкость 360 или 720 Кбайт) и двусторонних дискетах высокой плотности (DS/HD, емкость 1,2, 1,44 или 2,88 Мбайта). Плотность записи определяется величиной зазора между диском и магнитной головкой, а от стабильности зазора зависит качество записи (считывания). Для повышения плотности записи необходимо уменьшить зазор, однако при этом значительно повышаются требования к рабочей поверхности дисков.

 В  качестве материала для изготовления  магнитных дисков обычно применяют  алюминиевый сплав Д16МП (МП —   магнитная память). Этот сплав  немагнитный, мягкий, достаточно  прочный, хорошо обрабатывается.

Гибкие  диски (Floppy Disk – FD) Гибкие дисковые устройства состоят из устройства чтения/записи – дисковода и непосредственного носителя – дискеты.

Дискета представляет собой слой магнито - мягкого материала, нанесенный на специальную подложку, выполненную из полимерного немагнитного пластического материала, степень жесткости которого может быть различна в зависимости от реализации. Носитель помещается в бумажный, пластмассовый или                                               другой кожух-корпус. В настоящее время, используются только двусторонние носители, следовательно покрытие нанесено с обеих сторон дискеты и чтение/запись  производится с обеих сторон. Дискеты различного диаметра, как правило, имеют разные оформления корпуса. Так гибкие диски диаметром 5.25 дюйма помещаются в бумажный кожух, а 3.14 – в пластмассовый. Дискета в кожухе свободно вращается приводом устройства – дисковода через окно центрального захвата, что обеспечивает прохождение площади дорожки под устройством чтения/записи называемом головкой чтения/записи.

На кожухе дискеты имеются, соответственно, отверстия: центрального захвата(3), отверстие позиционирования головки(1),отверстие физической защиты от записи (5, 8), направляющие отверстия и пазы (2), отверстия автоопределения типа магнитного  покрытия (9), отверстие определения полного оборота носителя (4). Отверстие для позиционирования магнитных головок чтения/ записи у 3.14 дюймовых носителей  закрыто  металлической задвижкой (7), а отверстие для центрального  захвата и вращения на шпинделе привода вращения диска, в отличие от носителя диаметром 5.25 дюймов, находится только с нижней стороны дискеты.. Каждый сменный дисковый магнитный носитель перед использованием в какой-либо операционной системе необходимо подготовить к приему данных. Такая операция называется форматированием. Форматирование дискет производится при помощи специального программного обеспечения – программ форматирования дисков и, как правило, специфично для каждой операционной системы.

      В зависимости от типа носителя, в соответствии с качеством  магнитного покрытия, возможностями операционной системы и устройств дискеты можно форматировать для записи на них информации различного максимального объема, что достигается заданием таких параметров форматирования как число дорожек и секторов. Как правило, производителями дискет указывается параметр называемый числом точек на дюйм носителя – Track per inch (TPI). Данный параметр показывает, какую максимальную плотность размещения областей независимой намагниченности может иметь носитель. В соответствии с производственными характеристиками диска, необходимо форматировать носитель только в рамках его физических возможностей, иначе риск потери данных после операции записи неограниченно возрастает.