§ 2.5.5  Долговременная (внешняя) память компьютера

Долговременная (внешняя) память — это энергонезависимая па­мять, предназначенная для длительного хранения информации.

Процессор не имеет прямого доступа к содержимому внешней памяти. Чтобы процессор мог обработать данные из долговременной памяти, они должны быть сначала загружены в оперативную память. Основные устройства долговременной памяти: жёсткие  магнитные диски (HDD), стримеры, твердотельные диски (SDD), оптические диски(CD, DVD, BD), устройства flash-памяти.

Жёсткий магнитный диск (HDD)

Основным устройством внешней памяти является жёсткий магнитный диск.

Внутри жёсткого диска находятся одна или несколько пластин, наса­женных на общий шпиндель. Данные обычно записываются на обеих сто­ронах каждой пластины, хотя в некоторых жёстких дисках производите­ли наряду с двухсторонними пластинами могут использовать и односто­ронние. Запись и чтение информации осуществляется с помощью магнитных головок чтения/записи. Под пластинами располагается двигатель, который вра­щает их. В современных HDD скорость вра­щения 7200, 10000 и 15000 оборотов в минуту.

В процессе записи цифровая информация, хранящаяся в оперативной памяти, преобразуется в переменный электрический ток, который посту­пает на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности.

Перед использованием жёсткого диска необходимо выполнить опера­цию его форматирования. Форматирование включает в себя три этапа:

1.   Низкоуровневое форматирование диска. При этом процессе на жёстком диске создаются физические структуры: дорожки, сек­торы, управляющая информация. Этот процесс выполняется заводом-изготовителем на пластинах, которые не содержат ещё ника­кой информации.

2.   Разбиение на разделы. Этот процесс разбивает жёсткий диск на ло­гические диски (С:, D: и т. д.). Эту функцию выполняет операцион­ная система.

3.   Высокоуровневое форматирование. Этот процесс также выполня­ется операционной системой и зависит от её типа. При высокоуров­невом форматировании создаются логические структуры, ответ­ственные за правильное хранение файлов, а также, в некоторых случаях, системные загрузочные файлы в начале диска.

Рассмотрим подробнее, что происходит с диском при низкоуровневом форматировании. Как уже было сказано выше, пластины жёсткого диска делятся на круговые дорожки, дорожки разделяются радиально на секторы. В результате образуются клеточки – блоки, кластеры (англ. cluster). Объём одного кластера составляет  от 512 до 4096 байтов (файловые системы FAT,  NTFS). Одинаково расположенные дорожки на всех сторонах пластин образуют цилиндр (рис. 2.29).

Ранее для разметки жёстких дисков использовалось стандартное форматирование, при котором количество блоков на всех дорожках пластин было одинаковым. В современных жёстких дисках используется зонная  запись. При зонной записи дорожки внешнего края диска разбиваются на большее число секторов, чем внутренние, создавая кластеры примерно одинаковых размеров. Дорожки с одинако­вым количеством секторов образуют зону (рис. 2.30).

Метод зонной записи позволил значительно увеличить ёмкость жёстких дисков.

Ёмкость современных жёстких дисков измеряется сотнями гигабай­тов. Существуют жёсткие диски объемом 1 терабайт и более.

Для повышения надёжности хранения данных, а также для повыше­ния скорости чтения/записи информации при работе с большими объёмами данных используются массивы из нескольких дисков, управля­емых контроллером и воспринимаемых компьютерной системой как еди­ное целое, RAID-массивы. Существуют несколько типов RAID-массивов отличающихся друг от друга способом записи информации. Например, в массивах RAID 1 используется принцип зеркального дублирования, когда все данные одновременно записываются на два жестких диска. Это повышает надёжность хранения инфор­мации. В массивах RAID 0 используется идея чередования, когда чтение и запись параллельно ведутся на несколько жёстких дисков. Записывае­мый файл разбивается на части определённого размера и посылается одно­временно на все имеющиеся накопители. Это увеличивает скорость работы с диском.

RAID 2-3 самостоятельно найти в Интернете и законспектировать (назначение, достоинства, недостатки).

 

Твердотельные диски (SSD)

Самостоятельно  найти  в  Интернете  и законспектировать (назначение, достоинства,  недостатки).  

Оптические диски

Жёсткие диски изначально создавались в качестве внутренних устройств и не были предназначены для резервного копирования и переноса информации с одного компьютера на другой. Около 15 лет назад самым распространённым устройством, предназначенным для этих це­лей, были дискеты (гибкие магнитные диски). Однако их ёмкость по со­временным меркам была очень мала (1,44 Мбайта), поэтому на смену им пришли оптические диски CD (компакт-диски), позволяющие хранить достаточно большие объёмы информации (650—800 Мбайт) и намного пре­восходящие дискеты по степени надёжности. Для работы с компакт-дис­ками на компьютере необходим специальный привод с красным лазером (780 нм).

Различают диски «только для чтения» (CD-ROM), изготавливаемые промышленным способом, для однократной записи (CD-R) и для много­кратной записи (CD-RW). Диски последних двух типов предназначены для записи на специальных пишущих оптических накопителях. Все типы дисков имеют одинаковую структуру хранения информации. Данные с помощью луча красного лазера записываются на спиральную дорожку, идущую от центра диска к его периферии. Вдоль дорожки располагаются углубления, называемые питами (pit — «углубление»). На записывае­мых дисках питы имитируются тёмными пятнами специального регист­рирующего слоя, получившимися в результате нагрева нужного участка лазером. Чередованием углублений и промежутков между ними и коди­руется любая информация.

DVD - цифровой многоцелевой диск имеющий такой же размер, как и CD, но более плотную структуру рабочей поверхности, что позволяет хранить и считывать больший объём информации за счёт использования красного лазера с меньшей длиной волны (650 нм.).

 Существуют диски, на которых запись информации произво­дится в два слоя. В зависимости от указанных выше параметров, DVD-диски могут иметь объем 4,7 Гбайт или 8,5 Гбайт.

Все компакт-диски (и CD, и DVD) имеют одинаковую структуру хране­ния информации. Данные записываются в виде спиральной дорожки, идущей от центра диска к его периферии. Скорость чтения/записи опти­ческих приводов измеряется в единицах, кратных базовой скорости (обо­значается 16х, 24х, 48х и т. д.). Для приводов CD базовая скорость равна 150 Кбайт/с, для DVD — 1,385 Мбайт/с.

Blu-ray (Blu-ray Disc) является названием формата оптического диска следующего поколения.  У Blu-Ray – дисков  запись и чтение выполняет си­не-фиолетовый лазер (405 нм). Меньшая длина вол­ны позволяет сделать дорожку данных тоньше, что приводит к значительному увеличению ёмкости носителя. Формат был разработан для обеспечения возможности записи, перезаписи и воспроизведения видео высокого разрешения (HD-video), а также для хранения больших объемов данных. Ёмкость нового формата — от 25 до 50 Гб.

Flash-память

По устройству flash-память (флэш-память) напоминает микросхему динамической энергозависимой памяти, в которой вместо конденсаторов в ячейках памяти установлены транзисторы. При подаче напряжения транзистор принимает одно из фиксированных положений — закрытое или открытое. Он остаётся в этом положении до тех пор, пока на не будет подан новый электрический заряд, изменяющий его состояние. Таким об­разом, последовательность логических нулей и единиц формируется в этом типе памяти подобно статической памяти; закрытые для прохождения электрического тока ячейки распознаются как ло­гические единицы, открытые — как логические нули. Flash-память позволяет быстро записывать или считывать данные и хранит их при  отсутствии питания. Эта особенность позволяет ис­пользовать микросхемы flash-памяти в качестве альтернативы компакт-дискам и жёстким дискам.

USB Flash Drive (флэш-накопитель) — устройство на основе flash-памяти для хранения и переноса данных с одного компьютера на другой. Флэш-пшять заключена в корпус, напоминающий по внешнему виду брелок. Ингерфейс подключения к компьютеру — USB. Ёмкость со­временных флэш-накопителей достигает 16-64 Гбайт, и продолжает рас­ти быстрыми темпами.