Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ)
Сохранение информации для последующего её использования или передачи другим людям имело определяющее значение для развития цивилизации. До появления ЭВМ человек научился использовать для этой цели множество средств: книги, фотографии, магнитофонные записи, кинопленки и т. п. Возросшие к концу ХХ века потоки информации, необходимость её в больших объёмах и появление ЭВМ способствовали разработке и применению носителей информации, обеспечивающих возможность её долговременного хранения в более компактной форме. К таким носителям при использовании современных моделей компьютеров четвертого поколения относятся гибкие и жесткие магнитные диски и так называемые диски CD-ROM, составляющие внешнюю память компьютера. Отметим, что помимо сохранения информации после выключения компьютера эти носители также обеспечивают перенос информации с одного компьютера на другой, что особенно важно в случае отсутствия возможности использования компьютерных сетей, и позволяют практически неограниченно увеличить общую память компьютера.
Устройства, которые обеспечивают запись информации на носители, а так же её поиск, считывание и воспроизведение в оперативную память, называют накопителями. В основу записи, хранения и считывания информации положены два принципа – магнитный и оптический, что обеспечивает сохранение информации и после выключения компьютера. В основе магнитной записи – преобразование цифровой информации в переменный электрический ток, который сопровождается переменным магнитным полем. Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших областей спонтанной намагниченности (доменов). Электрические импульсы, поступая на головку дисковода, создают внешнее магнитное поле, под воздействием которого собственные магнитные поля доменов ориентируется в соответствии с его направлением. После снятия внешнего поля на поверхности дисков в результате записи информации остаются зоны остаточной намагниченности, где намагниченный участок соответствует 1, а ненамагниченный – 0. При считывании информации намагниченные участки носителя вызывают в головке дисковода импульс тока (явление электромагнитной).
Жесткие диски. Накопители на жестком диске (они же жесткие диски, они же винчестеры) предназначены для постоянного хранения информации, используемой при работе с компьютером: программ операционной системы, часто используемых пакетов программ, редакторов документов, трансляторов с языков программирования и т. д. Из всех устройств хранения данных (если не считать оперативную память) жесткие диски обеспечивают наиболее быстрый доступ к данным (обычно 7-20 миллисекунд, мс), высокие скорости чтения и записи данных (до 5 Мбайт/с). Для пользователя накопители на жестком диске отличаются друг от друга прежде всего следующими характеристиками:
Емкостью, то есть тем, сколько информации помещается на диске; Быстродействием, то есть временем доступа к информации и скоростью чтения и записи информации;
Интерфейсом, то есть типом контроллера, к которому должен присоединиться жесткий диск (чаще всего – IDE/EIDE и различные варианты SCSI)
Основная характеристика жесткого диска – это его ёмкость, то есть количество информации, размещенной на диске. Первые жесткие диски для IBM PC имели ёмкость 5 Мбайт. Сейчас в выпускаемые компьютеры чаще всего устанавливаются жесткие диски ёмкостью от 800 Мбайт до 1,6 Гбайт, а диски ёмкостью 2-4 Гбайта переходят из разряда элитной продукции в разряд ширпотреба. Диски с ёмкостью до 500 Мбайт считаются устаревшими, они уже практически не производятся. Максимальная ёмкость дисков на данный – 9,1 Гбайт, но готовятся к выпуску диски большей ёмкости (18-27Гбайт).
Гибкий магнитный диск диаметром 5,25 дюйма (133 мм) в настоящее время может хранить до 1,2 Мбайта информации. Такие диски двусторонние, повышенной плотности записи. Скорость вращения диска, находящегося в конверте из тонкой пластмассы, - 300-360 об/мин. Гибкие магнитные диски диаметром 3,5 дюйма (89мм) имеют ёмкость 1,44 Мбайта. При такой плотности записи защита магнитного слоя становится особенно актуальной, поэтому сам диск спрятан в прочный пластмассовый корпус, а зона контакта головок с его поверхностью закрыта от случайных прикосновений специальной шторкой, которая внутри накопителя автоматически отодвигается.
Контроллер дисковода включает и выключает двигатель вращения, проверяет, закрыт или открыт вырез, запрещающий операцию записи, устанавливает на нужное место головку чтения/записи.
Любой магнитный диск первоначально к работе не готов. Для приведения его в рабочее состояние он должен быть отформатирован, то есть должна бать создана структура диска. Для гибких дисков – это магнитные концентрические дорожки, разделенные на сектора, помеченные магнитными метками, а у жестких – ещё и цилиндры – совокупность дорожек, расположенных друг над другом на всех рабочих поверхностях дисков. Все дорожки магнитных дисков на внешних цилиндрах больше, чем на внутренних.Следовательно, при одинаковом количестве секторов на каждой из них плотность записи на внутренних дорожках должна быть выше, чем на внешних. Количество секторов, ёмкость сектора, а следовательно, и информационная ёмкость диска зависят от типа дисковода и режима форматирования, а также от качества самих дисков.
CD-ROM (CompactDiskReadOnlyMemory) обладает ёмкостью до 3 Гбайт, высокой надежностью хранения информации, долговечностью. Диаметр диска может быть как 5,25, так и 3,5 дюйма. Принцип записи и считывания оптический. Считывание информации с компакт-диска происходит при помощи лазерного луча, который, попадая на отражающий свет островок, отклоняется на фотодетектор, интерпретирующий его как двоичную единицу. Луч лазера, попадающий во впадину, рассеивается и поглощается – фотодетектор фиксирует двоичный ноль.
В то время как все магнитные диски вращаются с постоянным числом оборотов в минуту, то есть с неизменной угловой скоростью, CD-ROM вращается обычно с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить постоянную линейную скорость при чтении. Таким образом, чтение внутренних секторов осуществляется при большем числе оборотов, чем наружных секторов. Именно этим объясняется достаточно низкая скорость доступа к данным для CD-ROM(от 150 до 400 мс при скорости вращения до 4500 об/мин) по сравнению, например, с винчестером.
Скорость передачи данных, определяемая скоростью вращения диска и плотностью записанных на нём данных, составляет не менее 150 Кбайт/с и доходит до 1,2 Мбайта/с.
Для загрузки компакт-диска в дисковод используется либо одна из разновидностей выдвижной панели, либо специальная прозрачная кассета. Выпускают устройства во внешнем исполнении, которые позволяют самостоятельно записывать специальные компакт-диски – так называемые перезаписываемые CD-R. В отличие от обычных данные диски имеют отражающий слой золота. Подобные диски обычно служат как мастер0диски для дальнейшего тиражирования или создания архивов.
Для создания резервных копий информации, размещенной на жестких дисках компьютера, широко используются стримеры – устройства для записи информации на кассеты (картриджи) с магнитной лентой. Стримеры просты в использовании и обеспечивают самое дешевое хранение данных. Разные стримеры отличаются по ёмкости (от 20 Мбайт до 40 Гбайт на одной кассете), типу используемых кассет, исполнению (внутреннему или внешнему), интерфейсу, скорости чтения-записи данных (от 100 Кбайт/с до 5 Мбайт/си более), надежности записи на ленту и т. д. В продаже имеются стримеры самого разного назначения – от недорогих моделей, рассчитанных на потребности индивидуальных пользователей, до очень быстрых и надежных стримеров с автоматической сменой кассет, используемых для резервирования десятков и сотен Гбайт данных.
Магнитооптические и другие съёмные диски применяются для резервирования данных и для хранения редко используемых данных. Они значительно удобнее кассет стримера, поскольку пользователь может работать с такими дисками как с обычными жесткими дисками, только съёмными и более медленными.
Дисководы для магнитооптических дисков выпускаются ёмкостью от 230 Мбайт до 4,6Гбайт, и если дисководы ёмкостью 230 Мбайт относительно медленные, то многие дисководы большей ёмкости (2,6 и 4,6 Гбайта) лишь немного конкурируют дисководы для съёмных гибких и жестких дисков фирм Iomega, Syquest и др.
Самыми жизнеспособными устройствами, предназначенными для хранения данных, оказываются накопители, использующие магнитооптические диски. Дело в том, что диски CD-ROM удобны для хранения информации, а в работе с ней они оказываются медленнее, чем жесткие магнитные диски. Поэтому информацию с компакт-дисков обычно переписывают на МД, с которыми и работают. Такая система не подходит, если работа связана с базами данных, которые ввиду большой информационной ёмкости как раз выгоднее размещать на CD-ROM. Кроме того, компакт-диски, используемые в настоящий момент на практике, не являются перезаписываемыми.
Контроллеры
Чтобы компьютер мог работать, необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные. А попадают они туда из различных устройств компьютера – клавиатуры, дисководов для магнитных дисков и т. д. Иногда по традиции эти устройства называют внешними, хотя некоторые из них могут встраиваться внутрь системного блока. Результаты выполнения программ также выводятся на различные устройства – монитор, диски, принтер и т. д.
Обмен информацией между оперативной памятью и устройствами (он называется вводом-выводом) не происходит непосредственно: между любым устройством и оперативной памятью имеются два промежуточных звена:
Для каждого устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. Некоторые контроллеры (например, контроллер дисков) могут управлять сразу несколькими устройствами.
Все контроллеры (адаптеры) взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которую в просторечии называют шиной.
Электронные платы. Электронные схемы IBM PC состоят из нескольких модулей – электронных плат. Модульная структура электронных схем компьютера позволяет легко приспособить компьютер к нуждам пользователя и облегчает ремонт компьютера (при ремонте обычно требуется заменить одну плату, а не все).
На основной плате компьютера – системной, или материнской, плате – обычно располагаются основной микропроцессор, оперативная память, кэш-память, шина (или шины) и BIOS. Кроме того, там находятся электронные схемы (контроллеры), управляющие некоторыми устройствами компьютера. Так, контроллер клавиатуры всегда находится на материнской плате. Часто там же находятся и контроллеры других устройств (жестких дисков, дисководов для дискет и т. д.) Такие контроллеры называются встроенными или интегрированными (в материнскую плату). На современных материнских платах обычно находятся интегрированные контроллеры дискет, портов ввода-вывода, часто контроллер жестких дисков, иногда – видеоконтроллер.
Разным пользователям в компьютере нужен разный набор контроллеров. Поэтому все контроллеры компьютера встраиваются в материнскую плату только в некоторых специальных компьютерах. В большинстве компьютеров материнская плата содержит несколько разъёмов (слотов), в которые могут вставляться электронные платы, содержащие контроллеры для подключения дополнительных устройств (платы контроллеров). При вставке в разъём материнской платы контроллер подключается к шине – магистрали передачи данных между оперативной памятью и устройствами.
Одним из контроллеров, присутствующем почти в каждом компьютере, является контроллер портов ввода-вывода. Часто этот контроллер интегрирован в состав материнской платы. Контроллер портов ввода-вывода соединяется кабелями с разъёмами на задней стенке компьютера, через которые к компьютеру подключаются принтер, мышь и некоторые другие устройства. Порты ввода-вывода бывают следующих типов:
Параллельные (обозначаемые LPT1-LPT2), к соответствующим разъёмам на задней стенке компьютера ( имеющим 25 гнёзд) обыкновенно подключаются принтеры;
Последовательные (обозначаемые COM1-COM3). К соответствующим разъёмам на задней стенке компьютера (имеющим 9 или 25 штырьков) обычно подсоединяются мышь, модем и другие устройства;
Игровой порт – к его разъёму (имеющему 15 гнёзд) подключается джойстик. Игровой порт имеется не у всех компьютеров.
Как правило, контроллер портов компьютера поддерживает один параллельный и два последовательных порта.
Видеоконтроллеры. Электронные схемы компьютера, обеспечивающие формирование видеосигнала и тем самым определяющие изображение, показываемое монитором, называются видеоконтроллером. Видеоконтроллер обычно выполняется в виде специальной платы, вставляемой в разъём системной шины компьютера, но на некоторых компьютерах он входит в состав материнской платы. Видеоконтроллер получает от микропроцессора компьютера команды по формированию изображения, конструирует это изображение в своей служебной памяти – видеопамяти, и одновременно преобразует содержимое видеопамяти в сигнал, подаваемый на монитор – видеосигнал.