24-27

24. Внешние запоминающие устройства. Магнитные носители. Основные принципы
чтения и записи.
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения
информации и могут использоваться и как устройства ввода, и как устройства вывода. ВЗУ
по сравнению с ОЗУ имеют гораздо больший объем памяти, но существенно меньшее
быстродействие.
Накопитель состоит из двух частей:
• Носитель –устройство, на котором хранится информация
• Привод –устройство, предназначенное для считывания информации с носителя и
записи информациина носитель.
Основными техническими характеристиками ВЗУ являются:
1) информационная емкость определяет наибольшее количество единиц
данных, которое может одновременно храниться в ВЗУ. Она зависит от площади
и объема носителя, а также от плотности записи;
2) плотность записи - число бит информации, записанных на единице
поверхности носителя. Различают продольную плотность (бит/мм), т.е. число
бит на единице длины носителя вдоль вектора скорости его перемещения (по
дорожке), и поперечную плотность (бит/мм), т.е. число бит на единице длины
носителя в направлении, перпендикулярном вектору скорости (число дорожек);
3) время доступа, т.е. интервал времени от момента запроса (чтения или
записи) до момента выдачи блока. Это время включает в себя время поиска
информации на носителе и время чтения или записи;
4) скорость передачи данных определяет количество данных, считываемых
или записываемых в единицу времени и зависит от скорости движения носителя,
плотности записи, числа каналов и т.п.
В зависимости от типа носителя все ВЗУ можно подразделить на накопители на магнитной
ленте и дисковые накопители.
Накопители на магнитной ленте, в свою очередь, бывают двух видов: накопители на
бобинной магнитной ленте (НБМЛ) и накопители на кассетной магнитной ленте (НКМстриммеры). В ПК используются только стриммеры.
Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом. Понятие прямой
доступ означает, что ПК может "обратиться" к дорожке, на которой начинается участок с
искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно, где
бы ни находилась головка записи/чтения накопителя.
Накопители на дисках более разнообразны:
• накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), иначе, на флоппи-дисках или на
дискетах;
• накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) типа "винчестер";
• накопители на сменных жестких магнитных дисках, использующие эффект Бернулли;
• накопители на флоптических дисках, иначе, floptical-накопители;
• накопители сверхвысокой плотности записи, иначе, VHD-накопители;
• накопители на оптических компакт-дисках CD-ROM (Compact Disk ROM);
• накопители на оптических дисках типа СС WORM (Continuous Composite Write Once
Read Many - однократная запись - многократное чтение);
• накопители на магнитооптических дисках (НМОД) и др.
Сравнительные характеристики дисковых накопителей
Тип накопления Емкость, Мбайт
Время доступа,
мс
Трансфер,
Кбайт/с
Вид доступа
НГМД
1,2; 1,44
65-100
150
Чтение/запись
Винчестер
250-4000
8-20
500-3000
Чтение/запись
Бернулли
20-230
20
500-2000
Чтение/запись
Floptical
20,8
65
100-300
Чтение/запись
VHD
120-240
65
200-600
Чтение/запись
CD-ROM
250-1500
15-300
150-1500
Только чтение
CC WORM
120-1000
15-150
150-1500
Чтение/
однократная
запись
НМОД
128-1300
15-150
300-1000
Чтение/запись
Магнитная лента состоит из полоски плотного вещества, на которую напыляется слой
ферромагнетиков. Именно на этот слой “запоминается” информация.
Процесс записи также похож на про-цессс записи на виниловые пластинки — при помощи
магнитной индукционной вмес-то специального апарата.
На головку подаётся ток, который при-водит в действие магнит. Запись звука на плёнку
происходит благодаря действию электромагнита на плёнку. Магнитное поле магнита
меняется в такт со звуковыми колебаниями, и благодаря этому маленькие магнитные
частички (домены) начинают менять своё местоположение на поверхности плёнки в
определённом порядке, в за-висимости от воздействия на них магнитного поля, создаваемого
электромагнитом.
А при воспроизведении записи наблюдается процесс обратный записи: намаг-ниченная лента
возбуждает в магнитной головке электрические сигналы, которые после усиления поступают
дальше в динамик.
Данные, используемые в компьютерной технике, записываются на магнитные носители
таким же образом, с той разницей, что для данных нужно меньше места на плёнке, чем для
звука. Просто вся информация, записываемая на магнитный носи-тель в компьютерах,
записывается в двоичной системе — если при чтении с носите-ля головка “чувствует”
нахождение под собой домена, то это означает, что значение данной частички данных равно
“1”, если не “чувствует”, то значение — “0”. А дальше уже система компьютера преобразует
данные, записанные в двоичной системе, в более понятную для человека систему.
Основы магнитной записи
Запись и считывание информации происходят в процессе взаимодействия
магнитного носителя и магнитной головки (МГ), которая представляет собой
электромагнит. Материал магнитного покрытия можно представить множеством
хаотически расположенных магнитных доменов, ориентация которых изменяется
под действием внешнего магнитного поля (рис. 12.1), создаваемого МГ при
подаче в ее обмотку тока записи. Если МГ приводит к ориентации доменов в
плоскости носителя (рис. 12.1, б, в), то магнитную запись называют
горизонтальной, а если - к ориентации доменов перпендикулярно плоскости
носителя (рис. 12.1, г, д), то магнитную запись называют вертикальной. Хотя
вертикальная запись потенциально позволяет добиться более высокой плотности
записи, наиболее распространена горизонтальная запись.
Для регистрации информации используется переход от одного состояния
намагниченности в противоположное. Этот переход является «отпечатком»,
который может быть обнаружен с помощью МГ чтения.
Для горизонтальной магнитной записи МГ записи имеет небольшой зазор,
через который замыкается магнитный поток. Под действием тока в обмотке
домены носителя ориентируются в одном направлении. Если изменить
направление тока записи Iw , то ориентация доменов будет противоположной
(рис. 12.2). Количество переходов, размещаемых на единице площади носителя,
называют физической плотностью записи. Этот параметр зависит от метода
магнитной записи, величины зазора в МГ и ее конструкции, расстояния между
МГ и покрытием носителя и др.
Если плотность записи очень большая, то соседние переходы влияют друг на
друга и это должно учитываться при построении схем записи и
воспроизведения.
Магнитная головка чтения позволяет определить моменты времени, когда при
движении носителя под ней оказываются границы между участками с
противоположными состояниями намагниченности. Магнитный поток, создаваемый
доменами носителя, частично замыкается через магнитопровод МГ чтения. Для
сокращения длительности импульса воспроизведения уменьшают зазор в головке,
толщину магнитного покрытия и расстояние между МГ и покрытием.
Если расстояние от МГ до покрытия равно нулю, то реализуется контактная
запись (НМЛ, НГМД). Трение между носителем и МГ вызывает их износ и
ограничивает скорость движения носителя. При использовании НЖМД реализуют
бесконтактную запись, при которой МГ находится на расстоянии 0,2-5 мкм над
поверхностью носителя.
Схемы записи и воспроизведения
Чтобы создать магнитный поток МГ, в ее обмотке должен протекать ток Iw
или -Iw в процессе записи, а чтобы предотвратить разрушение записанной
информации при хранении и считывании, ток записи должен отсутствовать.
Этого можно добиться с помощью следующей схемы (рис. 12.3,а). МГ записи
имеет две обмотки W1 и W2 , включенные встречно. При наличии разрешающего
сигнала записи WR ток от источника через резистор R протекает по обмотке W1
, переводя носитель в одно из состояний намагниченности. Противоположное
состояние намагниченности создается при протекании тока 2Iw по обмотке W2.
Этот ток формируется усилителем записи при наличии сигнала разрешения
записи и сигнала от схем кодирования.
Использование элементов с тремя состояниями (Кл – ключ, переключатель)
позволяет уменьшить энергетические затраты и несколько повысить
быстродействие, так как требует коммутации меньших токов (рис. 12.3, б).
При считывании необходимо выделять слабые полезные сигналы на фоне помех и
амплитудно-частотных искажений.
Представление цифровой информации на внешнем носителе
Способы записи устанавливают соответствие отпечатков на поверхности
носителя значениям «0» и «1». Наиболее распространенными являются способы
записи без возврата к нулю (БВН), частотной (ЧМ) и фазовой (ФМ) модуляции,
группового кодирования (ГК). Трактом или каналом записи-воспроизведения
называют совокупность аппаратных средств, позволяющих при операциях записи
получать отпечатки и восстанавливать записанную кодовую последовательность
при операциях чтения. При магнитной записи основными компонентами тракта
являются головка записи и воспроизведения, усилители записи и
воспроизведения, детекторы информационных и синхронизирующих сигналов,
схемы управления.
Рассмотрим наиболее распространенный способ записи – «без возврата к
нулю». Суть этого способа состоит в том, что при записи «1» направление
тока изменяется, а при записи «0» - не изменяется и отпечатков на
поверхности носителя не остается. Запись и чтение осуществляются при
постоянной скорости перемещения носителя. Для воспроизведения «0» и
отделения их от «1» используются синхроимпульсы (рис. 12.4), которые при
считывании могут воспроизводиться автономным тактовым генератором или
считываться как служебная информация со служебной дорожки носителя.
25.
Внешние запоминающие устройства. Оптические носители. Принципы чтения и
записи (CD-ROM, CD-R, CD-RW и т. п.).
Оптические диски (лазерные диски, CD-ROM) – можно разделить на 3 класса: только для
чтения (CD), с однократной записью и многократным считыванием (CD-R), и с многократной
перезаписью информации (CD-RW). Информация содержится на одной спиральной дорожке,
проходящей через всю поверхность диска.
CD - В основе записи информации с помощью лазера лежит модуляция интенсивности
излучения лазера дискретными значениями 1 и 0. Излучение достаточно мощного лазера
оставляет на поверхности диска метки, вызванные воздействием луча на металл.
Поверхность диска предварительно покрывается тонким слоем металла – теллура. При
записи логической единицы луч прожигает в пленке теллура микроскопическое отверстие.
Запись начинается с внутренних дорожек и ведется с большой плотностью – 630 дорожек на
миллиметр. Длина всей спиральной дорожки – около 5 км. Таким способом изготавливается
первичный «мастер-диск», с которого потом производится тиражирование всей партии
дисков методом литья под давлением. При считывании информации ямки и ровные участки
дорожки дают разную интенсивность отраженного луча, которая регистрируется
фотоприемником.
CD-R - основа покрыта слоем органического красителя, поверх которого нанесено
светоотражающее напыление (золото или сплав серебряного цвета). При записи выжигаются
фрагменты красителя. В результате отраженный луч также будет промодулирован по
интенсивности.
CD-RW – под отражающим слоем имеют регистрирующий слой, который может менять свое
состояние между поликристаллическим и аморфным. Прозрачность слоя зависит от его
состояния. При перезаписи состояние отдельных участков изменяется: в зависимости от
степени нагрева участка лучом записывающего лазера при остывании фиксируется то или
иное его состояние. В отличие от печатных дисков и CD-R, отражающих около 70%
мощности падающего луча, диски CD-RW обладают существенно меньшей отражающей
способностью.
Запись DVD и CD промышленным способом происходит в восемь этапов.
1. Подготавливают данные, которые необходимо записать на компакт-диск.
2. На поверхность обработанного с высокой точностью специального полированного стекла в
виде диска наносят светочувствительный фоторезистивный слой определенной толщины. С
помощью лазерного луча, управляемого компьютером, засвечивают определенные участки
фоточувствительного слоя.
3. После проявки в специальных растворах на стекле остаются небольшие впадины,
называемые pits (питы), и выпуклые места – lands. Полученная таким способом матрица, или
стампер, называется Glass Master (стеклянная основа).
4. С помощью специальных реактивов или вакуумного напыления на Glass Master наносят
тонкий слой никеля или серебра. Таким образом мы получаем Metal Master (мастер-диск).
5. Создают негатив мастер-диска. На месте выступов образуются впадины, и наоборот, на
месте впадин образуются выступы.
6. Из высокопрочного материала создают штамп, в центре которого просверливают отверстие.
7. Штамп помещают в пресс-машину и изготавливают копии.
8. На копии наносят алюминиевую пленку, предназначенную для отражения лазерного луча.
Толщина пленки составляет сотые доли микрометров. Диск покрывают лаком и наносят на
него полиграфическое изображение.
CD-R (CD Recordable – записываемый компакт-диск) – имеет более сложную структуру. На
его поверхность добавляется еще один слой, на который и производится запись. Активный,
или регистрирующий, слой расположен между основой и отражающим слоем (рис. 1.3).
Рис. 1.3. Структура CD-R.
Чистый CD-R, или «болванка», имеет спиральную дорожку (Pre-groove), которая содержит
специальные метки и сигналы синхронизации. Во время записи предварительная разметка
помогает движению лазера по нужной траектории. Кроме того, программы для записи
компакт-дисков сами «читают» некоторые параметры используемого CD-R, что упрощает
настройку пользователем этих программ. Сигналы синхронизации записываются с
пониженной амплитудой и впоследствии перекрываются записываемым сигналом.
Во время записи луч лазера движется по спиральной дорожке и в момент своей активности
расплавляет дополнительный слой. Под воздействием лазера этот слой меняет свою
структуру. Таким образом получаются ячейки (питы), соответствующие данным,
записывающимся на компакт-диск. После этого этапа изменение структуры активного слоя
диска невозможно, и данные, записанные на диск, удалению не подлежат.
Примечание.
Питы – это сквозные отверстия в дополнительном слое.
Активный слой изготавливают из органических соединений: цианина (Cyanine) и его
производной – фталоцианина (Phtalocyanine). Считается, что фталоцианин более надежен и
долговечен, так как менее чувствителен к солнечному свету. Но еще менее чувствительны к
солнечному свету диски с активным слоем MetalAZO, разработанные компанией Mitsubishi
Chemical.
Требования к светоотражающему слою CD-R, по сравнению со штампованными дисками,
достаточно высоки из-за наличия регистрирующего слоя. Поэтому для изготовления
отражающего слоя используются более дорогие материалы – промышленное золото и
серебро, – а также сложные сплавы.
Рабочая поверхность CD-R в зависимости от комбинации веществ, используемых в
регистрирующем и отражающем слоях, может быть различного цвета. Раньше многие диски
имели золотистую рабочую поверхность из-за применения золота.
В настоящее время для изготовления светоотражающего слоя используют серебро, так как
этот материал дешевле и обладает более высоким коэффициентом отражения. Чаще всего
рабочая поверхность бывает прозрачной, темно-синего или светло-зеленого цвета. Срок
службы таких дисков, в зависимости от материала изготовления, составляет от 10 до 100 лет.
CD-RW (Compact Disk Re-Writable – перезаписываемый компакт-диск) (рис. 1.4) – имеет,
кроме описанных выше, еще два термозащитных слоя. Наличие дополнительных слоев
позволяет записывать на такой диск более 1000 раз.
Рис. 1.4. Структура CD-RW.
Во время «прожига» (записи диска) луч лазера нагревает участки промежуточного слоя. При
последующем охлаждении эти участки переходят из кристаллической формы в аморфную.
Если информацию с CD-RW необходимо стереть, луч лазера нагревает промежуточный слой
менее интенсивно, и аморфные участки кристаллизуются.
Строение DVD
В декабре 1995 года 10 компаний, объединившихся в союз DVD Consortium, официально
объявили о создании единого унифицированного стандарта – DVD. Аббревиатура DVD
сначала расшифровывалась как Digital Video Disc (Цифровой видеодиск), но впоследствии ее
значение было изменено на Digital Versatile Disc (Цифровой двухсторонний диск). Диск был
полностью совместим со стандартами Red Book (Красная книга) и Yellow Book (Желтая
книга).
DVD внешне идентичен CD, но позволяет записывать информацию, большую по объему в 24
раза, то есть до 17 Гбайт. Это стало возможным благодаря изменению физических
характеристик диска и применению новых технологий. Расстояние между дорожками
уменьшилось до 0,74 мкм, а геометрические размеры пит – до 0,4 мкм для однослойного
диска и 0,44 мкм для двухслойного диска. Увеличилась область данных, уменьшились
физические размеры секторов. Нашел применение более эффективный код исправления
ошибок – RSPC (Reed Solomon Product Code), стала возможной более эффективная битовая
модуляция.
Технология DVD предоставляет огромное количество форматов и четыре типа
конструктивного исполнения двух размеров. Диск такого стандарта может быть как
односторонним, так и двухсторонним. На каждой стороне может быть один или два рабочих
слоя. Рассмотрим основные характеристики DVD различных типов.
• Размер диска – 80 мм (3,1 дюйма).
– DVD-1 (Single-sided, single-layer) – односторонний и однослойный диск. Может содержать
до 1,36 Гбайт информации (рис. 1.5).
– DVD-2 (Single-sided, double-layer) – односторонний двухслойный диск. Содержит до 2,48
Гбайт информации (рис. 1.6).
– DVD-3 (Double-sided, double-layer) – двухслойный диск с одним информационным слоем на
каждой стороне. Емкость – до 2,74 Гбайт информации (рис. 1.7).
– DVD-4 (Double-sided, double-layer) – диск с двумя информационными слоями на каждой
стороне. Емкость такого диска – до 4,95 Гбайт (рис. 1.8).
• Размер диска – 120 мм (4,75 дюйма).
– DVD-5 (Single-sided, single-layer) – односторонний однослойный диск. Содержит до 4,7
Гбайт информации.
Рис. 1.5. Структура DVD-1 и DVD-5.
– DVD-9 (Single-sided, double-layer) – односторонний и двухслойный диск. Емкость – до 8,5
Гбайт.
– DVD-10 (Double-sided, double-layer) – двухслойный диск с одним информационным слоем
на каждой стороне. Содержит до 9,4 Гбайт информации.
– DVD-18 (Double-sided, double-layer) – двухслойный диск с двумя информационными
слоями на каждой стороне. Способен вместить до 17 Гбайт информации.
Рис. 1.6. Структура DVD-2 и DVD-9.
Рис. 1.7. Структура DVD-3 и DVD-10.
Рис. 1.8. Структура DVD-4 и DVD-18.
Примечание.
Число в наименовании диска– DVD-1, DVD-4, DVD-10 и т. д. – это округленное
значение емкости.
Запись однослойных DVD аналогична записи CD, а вот запись двухслойных дисков
существенно отличается от описанного ранее процесса.
Двухслойные диски типов DVD-2 и DVD-9 имеют два рабочих слоя для записи информации.
Эти слои разделяются с помощью специального полупрозрачного материала. Для
выполнения своей функции такой материал должен обладать взаимоисключающими
свойствами: хорошо отражать лазерный луч в процессе считывания наружного слоя и
одновременно быть максимально прозрачным при считывании внутреннего слоя. По заказу
корпораций Philips и Sony компания 3M создала материал, удовлетворяющий таким
требованиям: обладающий коэффициентом отражения 40 % и необходимой прозрачностью.
Во время считывания информации с такого диска лазерный луч сначала проходит сквозь
полупрозрачный слой, фокусируясь на треках внутреннего слоя. Считав всю информацию
внутреннего слоя, лазерный луч автоматически меняет свою фокусировку и считывает
информацию с полупрозрачного слоя. Наличие в приводе DVD буфера и возможность
быстрой смены фокусировки позволяет непрерывно подавать данные на материнскую плату.
При изготовлении двухслойного диска сначала штампуется первый слой, основанный на
поликарбонатах. Затем наносится полупрозрачный материал, который в свою очередь
покрывается пленкой фотополимерного материала. С помощью ультрафиолетового
излучения фотополимеру придается жесткость, и DVD заливается поликарбонатом, который
служит диску защитным слоем.
DVD имеют толщину 0,6 мм. Для физической совместимости с CD на DVD дополнительно
приклеивалась поликарбонатная подложка толщиной 0,6 мм. С целью не только увеличить
толщину DVD до 1,2 мм, но и одновременно улучшить его функциональность, увеличив
емкость носителя в два раза, компанией Toshiba был создан двухсторонний диск (типы DVD3 и DVD-10). Чтобы получить диск типа DVD-3, достаточно склеить между собой со стороны
этикеток два DVD-1; для получения же DVD-10 соединяются два DVD-5. Таким образом,
склеивая между собой два диска толщиной 0,6 мм, мы получаем один диск, по толщине
равный CD и обладающий возможностью записать вдвое больше информации.
Для получения дисков типа DVD-4 следует склеить два DVD-2, для DVD-18 –
соответственно два DVD-9.
Принцип записи информации на DVD-R (Digital Versatile Disk Read-only – однократно
записываемый DVD) и считывания с него аналогичен записи и считыванию CD-R. Во время
записи DVD в специальных рекордерах лазерный луч повышенной мощности «прожигает» в
активном слое отверстия (питы). При считывании информации лазерный луч обычной
мощности, свободно проходя сквозь образовавшееся отверстие, отражается от
металлизированного слоя и попадает на фотодатчик, а потом на микропроцессор.
Для записи и считывания информации с DVD-RW (Digital Versatile Disk ReWritable –
перезаписываемый DVD) применяется технология Phase Change Technology (метод
изменения фазы). Лазерный луч во время записи движется по спиральной дорожке. В период
повышенной активности луча регистрирующий слой меняет свою структуру, переходя из
кристаллического состояния в аморфное. При считывании информации детектор распознает,
от какой поверхности отразился лазерный луч – кристаллической или аморфной, – и
преобразует данные в цифровой поток. Под воздействием лазерного луча определенной
мощности активный (регистрирующий) слой возвращается в исходное состояние, и диск
может быть перезаписан множество раз.
26. Внешние запоминающие устройства на основе полупроводниковых технологий.
Для хранения больших массивов информации предназначены запоминающие устройства (ЗУ),
выполненные в виде БИС, в каждой из которых может храниться информация объемом в
тысячи бит.
ЗУ, допускающее независимое обращение к любой ячейке памяти, называется памятью с
произвольным доступом. Память с последовательным доступом допускает только
последовательное обращение к ячейкам памяти. В последовательной форме хранится
информация на магнитной ленте. Память на основе полупроводниковых микросхем является
памятью с произвольным доступом.
По выполняемым функциям различают следующие типы полупроводниковых ЗУ:
• оперативные запоминающие устройства (ОЗУ);
• постоянные запоминающие устройства (ПЗУ);
• перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ).
ОЗУ предназначено для использования в условиях, когда необходимо выбирать и обновлять
хранимую информацию. Вследствие этого в ОЗУ предусматриваются три режима работы:
режим хранения при отсутствии обращения к ЗУ, режим чтения информации и режим записи
новой информации. При этом в режимах чтения и записи ОЗУ должно функционировать с
высоким быстродействием (время чтения или записи составляет доли микросекунды). В
цифровых вычислительных устройствах ОЗУ используются для хранения промежуточных и
конечных результатов обработки данных. При отключении источника питания информация в
ОЗУ теряется. В условном графическом обозначении функция ОЗУ задается комбинацией
символов «RAM» – random access memory (память с произвольным доступом).
В качестве элементной базы для построения ОЗУ могут быть использованы БИС ОЗУ как
статического, так и динамического типов. В БИС статических ОЗУ (SRAM – static RAM)
каждая запоминающая ячейка построена на основе триггера, состояние которого
определяется значением (нуль или единица) хранимого бита данных. В БИС динамических
ОЗУ (DRAM – dynamic RAM) ячейка памяти выполнена на основе конденсатора, а значение
бита данных определяется наличием или отсутствием на нем заряда. Запоминающие ячейки
в БИС динамических ОЗУ занимают значительно меньшую площадь, чем в статических.
Поэтому при одинаковой технологии изготовления в одной БИС динамического ОЗУ удается
разместить значительно больше элементов, чем в БИС статического ОЗУ. Соотношение
количества ячеек БИС динамического ОЗУ к количеству ячеек БИС статического ОЗУ при
равных объемах кристалла равно 16:1 и более, т.е. БИС динамической памяти имеет в 16 раз
большую информационную емкость, чем БИС статической памяти. Стоимость хранения
одного бита информации в БИС ОЗУ динамического типа также меньше, чем в БИС ОЗУ
статического типа. Однако динамические ОЗУ требуют в процессе работы периодического
восстановления заряда (регенерации) на запоминающих конденсаторах. Для построения узла
регенерации требуется введение дополнительных микросхем, что может свести на нет
преимущества БИС памяти динамического типа. Особенно это заметно, если требуемый
объем памяти мал. Поэтому БИС динамических ОЗУ целесообразно использовать только при
построении оперативной памяти с большой информационной емкостью.
ПЗУ предназначено для хранения некоторой однажды записанной в него информации, не
нарушаемой и при отключении источника питания. В ПЗУ предусматриваются два режима
работы: режим хранения и режим чтения. Режим записи не предусматривается. Используется
ПЗУ для хранения программ или констант, с которыми цифровое устройство функционирует
длительное время, многократно выполняя действия по одному и тому же алгоритму при
различных исходных данных. В условном графическом обозначении в общем случае функция
ПЗУ задается сочетанием символов «ROM» - read only memory (память только с функцией
чтения).
ППЗУ (EPROM – Erase programmable ROM) в процессе функционирования цифрового
устройства используется как ПЗУ. Оно отличается от ПЗУ тем, что допускает обновление
однажды записанной информации, т. е. в нем предусмотрен режим записи. Однако в отличие
от ОЗУ запись информации требует отключения ППЗУ от устройства, в котором оно
функционирует, и производится с использованием специально предназначенных для записи
устройств – программаторов. Кроме этого запись в ППЗУ занимает значительное время.
ППЗУ дороже ПЗУ и их применяют в процессе отладки программного обеспечения
цифрового вычислительного устройства, после чего их можно заменить более дешевыми ПЗУ.
ЗУ содержит некоторое число N ячеек памяти, в каждой из которых может храниться слово с
определенным числом разрядов n. Ячейки последовательно нумеруются двоичными числами.
Номер ячейки называется адресом. Если для представления адресов используют комбинации
m-разрядного двоичного кода, то число ячеек памяти в ЗУ может составить N=2m.
Количество информации, которое может храниться в ЗУ, определяет его емкость. Емкость M
можно выразить числом ячеек N с указанием разрядности n хранимых в них слов в форме
N×n, либо ее можно определять произведением N·n, т.е. M=N·n бит. Разрядность ячеек
выбирают кратной байту (1 байт = 8 бит). Тогда и емкость удобно представлять в байтах.
Большие значения емкости часто выражаются в единицах к=210=1024, М=220=1048576 и
Г=230=1073741824. Например, M=64кбайт определяет емкость равную
M=64×1024байт=64×1024×8 бит.
Быстродействие ЗУ (время обращения) характеризуется двумя величинами:
• временем выборки tв, представляющим собой интервал времени между моментом
подачи сигнала выборки и появлением считываемых данных на выходе;
• циклом записи tцз, определяемым минимально допустимым временем между
моментом подачи сигнала выборки при записи и моментом, когда допустимо
последующее обращение к памяти.
ЗУ строятся из набора однотипных микросхем ЗУ с определенным их соединением. Каждая
микросхема ЗУ кроме времени обращения и емкости характеризуется потребляемой
мощностью, набором питающих напряжений, током потребления. Микросхемы ППЗУ
дополнительно характеризуются временем хранения записанной информации, по истечении
которого хранящаяся в ячейках информация может самопроизвольно изменяться, а также
допустимым количеством циклов перезаписи, после чего микросхема является негодной для
использования.
27. Адресация данных на внешних запоминающих устройствах (CHS, LBA).
Минимальной адресуемой областью данных на жёстком диске является сектор. Размер
сектора традиционно равен 512 байт. В 2006 году IDEMA объявила о переходе на размер
сектора 4096 байт, который планируется завершить к 2010 году. Western Digitals уже сообщил
о начале использования новой технологии форматирования, названой Advanced Format, и
выпустил накопитель (WD10EARS-00Y5B1) использующий новую технологию.
Существует 2 основных способа адресации секторов на диске: цилиндр-головка-сектор (англ.
cylinder-head-sector, CHS) и линейная адресация блоков (англ. linear block addressing, LBA).
CHS
При этом способе сектор адресуется по его физическому положению на диске 3
координатами — номером цилиндра, номером головки и номером сектора. В современных
дисках со встроенными контроллерами эти координаты уже не соответствуют физическому
положению сектора на диске и являются «логическими координатами».
LBA
При этом способе адрес блоков данных на носителе задаётся с помощью логического
линейного адреса. LBA-адресация начала внедряться и использоваться в 1994 году совместно
со стандартом EIDE (Extended IDE). Стандарты ATA требуют однозначного соответствия
между режимами CHS и LBA:
LBA = [ (Cylinder * no of heads + heads) * sectors/track ] + (Sector-1)
Метод LBA соответствует Sector Mapping для SCSI. BIOS SCSI-контроллера выполняет эти
задачи автоматически, то есть для SCSI-интерфейса метод логической адресации был
характерен изначально.
Существует два основных метода, используемых для адресации (или нумерации) секторов
накопителей АТА. Первый из них называется CHS (Cylinder Head Sector). Это название
образовано по трем соответствующим координатам, которые используются для адресации
каждого сектора дисковода. Во втором методе, который носит название LBA (Logical Block
Address), для адресации секторов накопителя используется только одно значение. В основе
метода CHS лежит физическая структура накопителей (а также способ организации его
внутренней работы). Метод LBA, в свою очередь, представляет собой более простой и
логический способ нумерации секторов, не зависящий от внутренней физической
архитектуры накопителей.
При последовательном считывании данных с накопителя в режиме CHS процесс чтения
начинается с цилиндра 0, головки 0 и сектора 1 (который является первым сектором на
данном диске), после чего считываются все остальные секторы первой дорожки. Затем
выбирается следующая головка и читаются все секторы, находящиеся на этой дорожке. Этот
процесс продолжается до тех пор, пока не будут считаны данные со всех головок первого
цилиндра. После этого выбирается следующий цилиндр и процесс чтения продолжается в
такой же последовательности. Метод CHS подобен принципу одометра (счетчика
пройденного пути): для того чтобы изменить номер головки, необходимо "провернуть"
определенное количество секторов; а для того чтобы перейти на следующий цилиндр,
необходимо "провернуть" несколько головок.
При последовательном считывании данных с накопителя в режиме LBA процесс чтения
начинается с сектора 0, после чего читается сектор 1, сектор 2 и т. д. Как вы помните, в
режиме CHS первым сектором жесткого диска является 0,0,1. В режиме LBA этот же сектор
будет сектором 0.
LBA
Аббревиатура этого вида дисковой адресации отражает сущность используемых в ней
дисковых адресов: Logical Block Address, то есть «адрес логического блока» или «логический
адрес блока».
В отличие от адресации CHS, адресация LBA никак не связана с физическими
характеристиками диска (числом цилиндров, головок и секторов): весь диск в этой системе
считается непрерывным массивом блоков (секторов) одинакового размера, причём их
нумерация ведётся с нуля. Благодаря этому использовать LBA в программах намного удобнее,
чем адреса в формате CHS: даже в том случае, когда CHS-адреса не соответствуют реальной
«геометрии» диска, они всё равно остаются разрывными, поскольку нумерация секторов в
этом формате ведётся с единицы. Кроме того, из-за ограничений BIOS разрядность CHSадреса составляет 24 бита, что при стандартном размере сектора 512 байт не позволяет
применять диски с ёмкостью, превосходящей 7,875 «двоичных» Гбайта (8,4 «десятичных
гигабайт»).
Для работы с дисками с помощью LBA используются расширенные функции дискового
сервиса прерывания INT 13h, имеющие номера 41h—49h и 4Eh. Этот набор функций получил
название Enhanced Disk Drive Service (EDD; расширенный сервис дисковых приводов). Он
присутствует во всех современных версиях BIOS, однако на более старых компьютерах
может отсутствовать.
Первые BIOS, поддерживающие адресацию LBA, использовали 28-разрядный логический
адрес (номер) блока, хотя пакет дискового адреса, передаваемый функциям расширенного
дискового сервиса BIOS, отводит под него 64 бита. Это связано с тем, что первые дисководы,
поддерживающие адресацию LBA, технически должны были соответствовать имеющемуся
на тот момент стандарту IDE, предусматривавшему только 28 бит под дисковый адрес и
трактовавшему его в терминах номеров цилиндра, головки и сектора (CHS): фактически
«железо», поддерживающее LBA, появилось раньше официального стандарта, закрепившего
этот вид дисковой адресации. Позднее физическая разрядность адреса LBA была повышена
до 48 бит (стандарт ATA/ATAPI 6); при необходимости без переделок в правильно
спроектированном программном обеспечении она может быть увеличена до 64 бит.
Адресация LBA используется не только с жёсткими дисками, но и для оптических
накопителей (CD, DVD, BluRay), флэш-дисков и других устройств с посекторной
организацией хранения информации, за исключением гибких дисков, для которых попрежнему приходится использовать систему CHS.
CHS
Название этого способа адресации данных на дисках образовано из первых букв названий
компонентов, входящих в состав дискового адреса, заданного этим способом: Cylinder, Head,
Sector, то есть «цилиндр», «головка», «сектор». Эта система широко применялась в
вычислительных машинах 1970-х годов (в частности, в мини-ЭВМ фирмы DEC), откуда и
перекочевала на ПК. Приводимые ниже сведения относятся главным образом к жёстким
дискам, однако в целом применимы и к гибким дискам (об их особенностях говорится в
конце).
Информация записывается на магнитный диск и считывается с него с помощью магнитной
головки, причём головка может перемещаться, останавливаясь на разном расстоянии от
центра диска в определённых позициях. Чтение и запись информцаии возможны только при
неподвижной головке, поэтому информация располагается на диске в виде ряда окружностей
— так называемых дорожек (track).
Информацию можно хранить на обеих сторонах диска. Более того, возможно объединение в
один пакет нескольких дисков («блинов»), вращающихся на общем шпинделе; такие диски,
называемые пакетными, были широко распространены в 1960-80-х годах, пока не были
вытеснены привычными нам «винчестерами» (которые, впрочем, тоже могут состоять из
нескольких дисков). Для чтения и записи информации с разных сторон используются
отдельные головки, перемещаемые, однако, как единое целое. Совокупность всех дорожек,
доступных при неподвижных головках, называется цилиндром (cylinder). Номера цилиндра и
головки являются двумя первыми компонентами дискового адреса в формате CHS.
Информация на дорожках хранится блоками или секторами фиксированного размера;
стандартом де-факто является размер 512 байт. Номер сектора на дорожке является
последним компонентом адреса в формате CHS. Заметим, что фиксированный размер
технически не является обязательным; так, в мэйнфреймах IBM использовалась иная система,
с переменной длиной блока, что позволяло эффективнее использовать дисковое пространство,
но усложняло выполнение операций ввода-вывода; такая система сокращённо обозначалась
CKD (Count, Key, Data) — по первым буквам названий разных областей, входящих в состав
одного блока.
Нумерация цилиндров и головок на ПК ведётся с нуля, нумерация секторов — с единицы.
Вероятно, такая нелогичная система была унаследована от системы CKD, в которой нулевой
сектор был предназначен для хранения служебной информации о дорожке, а собственно
информационные секторы начинались с первого.
При создании IBM PC разработчики BIOS весьма жёстко ограничили разрядность
перечисленных выше компонентов дискового адреса: номер цилиндра должен был умещаться
в 10 бит, номер головки — в восемь, номер сектора — в шесть. Таким образом, суммарная
длина дискового адреса в формате CHS составляет 24 бита, что при размере сектора в 512
байт ограничивает ёмкость диска величиной 7,875 Гбайт (до 8 Гбайт ёмкость не дотягивает
из-за начала нумерации секторов с 1, из-за чего на каждой дорожке может находиться не
более 63 секторов; заметим, что обычно приводимая цифра в 8,4 Гбайта выражена в
«десятичных гигабайтах», то есть в миллиардах байт, мы же пользуемся более правильными
с точки зрения компьютера «двоичными» единицами измерения ёмкости). Дисковый
интерфейс IDE, получивший широкое распространение с появлением компьютеров IBM
PC/AT и вытеснивший существовавшие до него интерфейсы, отводил под те же компоненты
адреса иное количество разрядов: 16 бит под номер цилиндра, 4 бита под номер головки и 8
бит под номер сектора (в сумме 28 бит), что в сумме давало объём до 126 Гбайт (137
«десятичных гигабайт»).
Первые жёсткие диски и BIOS требовали, чтобы номера цилиндра, головки и сектора,
передаваемые программой функциям традиционного дискового сервиса BIOS, совпадали с
физическими номерами этих сущностей на диске. Из-за этого ёмкость дисков неоправданно
ограничивалась. Например, разместить в небольшом корпусе «винчестера» восемь «блинов»,
позволяющих использовать 16 головок, допускаемых размером поля номера головки
дискового адреса для интерфейса IDE, физически невозможно. В то же время прогресс
технологии магнитной записи очень быстро позволил записывать на одной дорожке более 63
секторов — но это было бессмысленно, поскольку BIOS ограничивал размер поля номера
сектора величиной 6 бит. Совокупные ограничения BIOS и контроллера IDE приводили к
тому, что максимальная ёмкость диска даже в теории не могла превышать 504 Мбайта
(размер адреса 20 бит; часто приводимая величина 528 Мбайт выражена в «десятичных
мегабайтах»), ну а на практике в силу указанных физических ограничений была ещё меньше.
Первым шагом для преодоления этого ограничения стал отказ от требования точного
соответствия номеров, используемых в программах (логических дисковых адресов),
физическим номерам цилиндров, головок и секторов. Этого добились, возложив на
контроллер диска (микросхему или набор микросхем, располагающихся на самом дисководе;
не следует путать контроллер диска с контроллером IDE — последний является лишь
посредником между системной шиной компьютера с одной стороны и контроллером диска с
другой) задачу перекодировки логических адресов в физические. Однако совместные
ограничения на число бит, отводимых под каждый компонент адреса, остались (10 бит под
номер цилиндра, 4 бита под номер головки и 6 бит под номер сектора, всего 20 бит), из-за
чего реально доступную программам ёмкость дисков удалось поднять только до 504 Мбайт.
Вскоре, однако, инженеры осознали, что дисковый адрес можно «искривлять». Напомним,
что номер головки с точки зрения BIOS имеет размер 8 бит, а с точки зрения контроллера IDE
— только четыре, зато контроллер поддерживает большую разрядность номеров сектора и
цилиндра, чем BIOS (8 и 16 бит против 6 и 10 соответственно). Известный разработчик BIOS
фирма Phoenix Technologies предложила использовать два младших бита номера головки,
используемого функциями традиционного дискового сервиса BIOS, в качестве двух старших
разрядов номера сектора, передаваемого контроллеру IDE, а два старших бита номера
головки — в качестве двух младших битов номера цилиндра. Этот нехитрый трюк позволил
использовать диски ёмкостью до 7,875 Гбайт — предельной величины, поддерживаемой
дисковыми функциями BIOS, использующими адресацию CHS.
На этом совершенствование адресации CHS прекратилось, и дальнейший рост объёма дисков
был обеспечен переходом на новые функции, использующие другой способ адресации —
LBA. Что же касается CHS, то использующие этот способ адресации функции BIOS до сих
пор применяются для доступа к гибким дискам (где альтернативы им нет) и могут
использоваться при обращении к другим типам дисков (жёстким, оптическим, флэшнакопителям), но с указанным выше ограничением на максимальный доступный объём
носителя информации.