Классификация запоминающих устройств

Хранение является одной из основных операций, осуществляемых над информацией, с целью обеспечения ее доступности в течение некоторого промежутка времени.

Под хранением информации понимают ее запись в запоминающее устройство (ЗУ) для последующего использования.

Запоминающее устройство (память) -- устройство, способное принимать данные и сохранять их для последующего считывания.

В компьютерных системах обработки информации выделяют следующие основные типы памяти: регистровая память, основная память, кэш-память и внешняя память. Кроме того, в ЭВМ могут присутствовать различные специализированные виды памяти, xaрактерные для тех или иных устройств вычислительной системы, например видеопамять.

Регистровая память, имеющаяся в составе процессора или других устройств ЭВМ, предназначена для кратковременного xpaнения небольшого объема информации, непосредственно участвующей в вычислениях или операциях обмена (ввода-вывода).

Основная память предназначена для оперативного хранения и| обмена данными, непосредственно участвующими в процессе обработки. Конструктивно она исполняется в виде интегральных схем (ИС) и подразделяется на два вида:

· постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

· оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

Кэш-память служит для хранения копий информации, используемой в текущих операциях обмена.

Внешняя память используется для долговременного хранения - больших объемов информации. В современных компьютерных системах в качестве устройств внешней памяти наиболее часто применяются:

· накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

· накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

· накопители на оптических дисках;

· магнитооптические носители информации;

· ленточные накопители (стримеры).

1.2Основная память

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ или RAM, Random Access Memory -- память с произвольным доступом) предназначены для хранения переменной информации: программ и чисел, необходимых для текущих вычислений. По способу хранения информации ОЗУ разделяют на статические (SRAM -- Static RAM) и динамические (DRAM -- Dynamic RAM). В первом случае запоминающими элементами являются триггеры, сохраняющие свое состояние, пока схема находится под питанием и нет новой записи данных. Во втором -- данные хранятся в виде зарядов конденсаторов, образуемых элементами МОП-структур. Саморазряд конденсаторов ведет к разрушению данных, поэтому они должны периодически (каждые несколько миллисекунд) регенерироваться.

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ или ROM, Read Only Memory - память только для чтения) -- энергонезависимая память, используемая для хранения неизменяемых данных: подпрограмм, микропрограмм, констант и т. п. Такие ЗУ работают только в режиме многократного считывания. Постоянные запоминающие устройства можно разделить по способу их программирования на следующие категории:

* масочные ПЗУ, т.е. программируемые при изготовлении. Данная разновидность ПЗУ программируется однократно и не допускает последующего изменения информации;

* программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ или PROM -- Programmable ROM) -- постоянные запоминающие устройства с возможностью однократного электрического программирования; они отличаются от масочных ПЗУ тем, что позволяют в процессе применения микросхемы однократно изменить состояние запоминающей матрицы электрическим путем по заданной программе;

* репрограммируемые (перепрограммируемые) постоянные запоминающие устройства (РПЗУ) -- постоянные запоминающие устройства с возможностью многократного электрического перепрограммирования. Стирание хранящейся в РПЗУ старой информации перед процедурой записи новой можно осуществлять по-разному. Это делают либо с помощью электрических сигналов, снимающих заряд, накопленный под затвором (РПЗУ-ЭС -- РПЗУ с электрическим стиранием, EEPROM -- Electrically Erasable PROM), либо с помощью ультрафиолетового излучения (РПЗУ-УФ -- РПЗУ с УФ- стиранием, EPROM -- Electrically PROM). В последнем случае для этих целей в корпусе микросхемы предусматривают окно из кварцевого стекла. К памяти типа EPROM относится и flash-память. Она подобна ей по запоминающему элементу, но имеет структурные и технологические особенности, позволяющие выделить ее в отдельный вид.

1.3 Кэш-память

Это очень быстрое ЗУ небольшого объема, являющееся буфером между устройствами с различным быстродействием. Обычно используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации между процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. Кэш-памятью управляет специальное устройство -- контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как попадания, так и промахи. В случае попадания, т.е. если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает ее непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

1.4Внешняя память

Дисковые ЗУ, или накопители, представляют собой совокупность носителя и соответствующего привода и предназначены для записи, считывания и постоянного (длительного) хранения больших объемов информации. Дисковые накопители являются энергонезависимыми ЗУ.

В зависимости от типа носителя и принципов записи информации дисковые накопители подразделяются на магнитные, оптические и магнитооптические ЗУ.

Накопители на магнитных дисках

В общем случае под накопителем на магнитных дисках понимают устройство, обеспечивающее запись и считывание данных с вращающихся магнитных дисков.

Магнитный диск - носитель информации в форме круглой пластины (диска), поверхность которой покрыта магнитным материалом.

Подложка магнитного диска может быть жесткой (жесткий магнитный диск), изготовленной из алюминиевого сплава, или гибкой (гибкий магнитный диск), изготовленной из полиэфира. В зависимости от вида используемого диска накопители на магнитных дисках подразделяются на накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) (Floppy Disk Drive -- FDD) и накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) (Hard Disk Drive - HDD).

Гибкий магнитный диск, состоящий из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон тонким слоем магнитного материала и помещенной в специальную пластиковую упаковку, называется дискетой. Дискеты широко используются для хранения данных и переноса их между компьютерами, оснащенными НГМД.

Конструктивно современный НГМД состоит из четырех основных элементов:

· Рабочий двигатель, обеспечивающий постоянную скорость вращения дискеты (в современных дисководах -- 300 об./мин);

· рабочие головки, предназначенные для записи и чтения данных. Дисковод оснащается двумя комбинированными головками (для чтения и записи каждая), которые располагаются над рабочими поверхностями дискеты -- одна головка предназначена для верхней, а другая -- для нижней поверхности дискеты;

· шаговые двигатели, предназначенные для движения и позиционирования головок;

· управляющая электроника, отвечающая за передачу и преобразование информации, которую считывают или записывают головки.

В накопителе на жестких магнитных дисках носители информации представляют собой круглые жесткие пластины (называемые также платтерами), обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала.

Современные НЖМД строятся по винчестерской технологии и называются винчестерами. Данная технология впервые была применена при создании накопителей на жестких дисках (модели IBM 3340) на предприятии IBM в английском городе Винчестер в 1973 г. В винчестерах головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметичный закрытый корпус. Головка, используемая в винчестере, имеет небольшие размеры и массу и размещается на держателе специальной аэродинамической формы. При вращении диска над ним образуется тонкий воздушный слой, обеспечивающий «воздушную подушку» для зависания головки над поверхностью диска на расстоянии единиц микрометров. При этом масса головки и прижимающее усилие к поверхности диска настолько малы, что, даже если в процессе работы устройства головка опускается на зону данных, вероятность их повреждения очень низкая.

Винчестер состоит из нескольких одинаковых дисков, расположенных друг под другом. Для каждого диска в винчестере имеется пара рабочих головок, которые приводятся в движение и позиционируются шаговым двигателем. Все головки расположены «гребнем». Позиционирование одной головки обязательно вызывает аналогичное перемещение и всех остальных, поэтому, когда речь идет о разбиении винчестера, обычно говорят о цилиндрах (cylinder), а не о дорожках. Цилиндр - это совокупность всех совпадающих друг с другом дорожек по вертикали, по всем рабочим поверхностям.

Общая емкость пакета дисков определяется произведением количества цилиндров, количества магнитных головок, количества секторов на дорожке и размера сектора в байтах (как правило, 512 байт). Например, винчестер емкостью 1,2 Гбайт содержит 2632 цилиндра с 16 магнитными дорожками на каждом цилиндре и с 63 секторами на дорожке.

Современные винчестеры имеют очень высокую плотность хранения информации -- порядка миллиардов бит на квадратный сантиметр -- и очень большую емкость: от десятков до сотен Гбайт.

Накопители на оптических и магнитооптических дисках

Запись и считывание информации в оптических накопителях производится бесконтактно с помощью лазерного луча. К таким устройствам относятся прежде всего накопители CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD и магнитооптический накопитель.

Устройства CD-ROM.

В устройствах CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory -- компакт-диск только для чтения) носителем информации является оптический диск (компакт-диск), изготавливаемый на поточном производстве с помощью штамповочных машин и предназначенный только для чтения.

Компакт-диск представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра.

НакопителиCD-R (CD-Recordable).

Они позволяют наряду с прочтением обычных компакт-дисков записывать информацию на специальные оптические диски CD-R.

НакопителиCD-RW (CD-ReWritable). Дают возможность делать многократную запись на диск.

НакопителиDVD (Digital Versatile Disc, цифровой диск общего назначения). Имеют тот же геометрический размер, что и обычные CD-ROM, но вмещают гораздо больший объём данных.