Накопители на жестких магнитных дисках

Накопителем называется устройство, управляющее записью, хранением и считыванием данных. Накопители на жестких магнитных дисках, в отличие от оперативных запоминающих устройств, относятся к ЗУ с прямым (циклическим) доступом, т. к. в них возможность обращения к определенной ячейки памяти циклически повторяется из-за непрерывного вращения физического магнитного диска, который и является носителем информации. Обе поверхности такого диска имеют магнитное покрытие на основе оксидов железа или хрома, которое может изменять свои свойства под воздействием внешнего магнитного поля. Процесс записи состоит в локальных изменениях состояния этого покрытия. Информация на магнитных дисках располагается по концентрическим окружностям, называемым дорожками, причем совокупность равноудаленных от оси вращения дорожек всех физических дисков одного накопителя называется цилиндром. Дорожки для хранения информации разбиты на секторы, емкость которых в большинстве случаев составляет 512 байт.

Накопитель на жестких магнитных дисках (жесткий диск, винчестер) представляет собой единое устройство, которое обычно крепится внутри компьютера и состоит из электромеханической и электронной частей. Электромеханическая часть размещается в жестком герметичном корпусе, внутри которого закреплен двигатель. На вращающейся оси двигателя крепятся несколько (2-12) магнитных дисков, изготовленных из алюминия, керамики или стекла. В этом же корпусе установлен подвижный блок головок чтения/записи с приводом, обеспечивающим их позиционирование (перемещение). Необходимость герметизации корпуса обусловлена тем, что расстояние между головкой и рабочей поверхностью диска обычно составляет десятые доли микрона и попадание даже небольшой пылинки в этот зазор может привести к повреждению поверхности диска и необратимой потери данных. В электронную часть диска входят контроллер, усилители сигналов записи/считывания и буферная память (кэш диска). Контроллер управляет процессами разгона и остановки двигателя, позиционирования головок, чтения и записи информации. Позиционирование головок осуществляется при помощи подвижной катушки индуктивности, перемещающейся в магнитном поле постоянного магнита под действием протекающего в ней тока. Направление и сила тока определяют направление и скорость перемещения катушки и механически связанных с ней головок чтения/записи.

. В случае дисковых накопителей время доступа включает в себя:

время разгона диска – время достижения рабочей скорости вращения диска, т.к. в обычном режиме скорость его вращения, как правило, снижается с целью экономии энергии и уменьшения шума;

время поиска – время установки блока головок на нужную дорожку и устранения биений;

время ожидания - время ожидания подвода первого сектора необходимого файла;

время чтения/записи (transfer time) – собственно время чтения или записи данных.

Среднее время поиска в различных жестких дисках составляет 4-10 мс. Время ожидания в среднем равно времени половины оборота диска, что, например, при скорости вращения диска 7200 оборотов/мин, составляет 4, 2 мс. Время чтения/записи в основном определяется пропускной способностью канала передачи информации. Таким образом, случае накопителей на жестких дисках следует говорить о среднем времени доступа, которое составляет приблизительно 6-13 миллисекунд.

Кэш память жесткого диска позволяет ускорить процесс обмена данными – чем больше ее емкость, тем выше вероятность того, что в кэш-памяти будет необходимая информация, которую не надо считывать с диска (этот процесс в тысячи раз медленней). Емкость кэш-памяти в современных жестких дисках может достигать 8 и более мегабайт;

Наиболее общей характеристикой быстродействия жестких дисков является средняя скорость обмена, которая определяется объемом данных, которые могут быть переданы из накопителя или в накопитель за единицу времени. Эта величина зависит как от характеристик жесткого диска, так и от режима передачи данных, например, DMA (Direct Memory Access), который разрешает передавать данные непосредственно в оперативную память без участия процессора. В современных жестких дисках средняя скорость обмена данными находится в пределах 30-100 Мбайт/с.

При необходимости хранения и обработки больших объемов информации в современных компьютерах применяется технология RAID (Redundant Array of Independent Disks -- матрица с резервируемыми независимыми дисками), в которых несколько накопителей на жестких дисках объединены и работают как один большой диск. При этом, в зависимости от схемы работы, значительно улучшаются и некоторые другие характеристики всей системы. Например, для повышения надежности хранения информации жесткие диски ПК объединяются попарно и запись информации происходит одновременно на каждый диск пары, т.е. дублируется.

3) Оптические диски. ( CD ROM, CD-R, CD-RW)

Принцип работы: В процессе записи модулированный цифровым сигналом лазерный луч оставляет на активном слое СД след, который можно затем «прочесть» лучом меньшей интенсивности, проанализировав изменение интенсивности отраженного луча. Изменения интенсивности отраженного луча происходит из-за:

- углублений(ямок) –происходит рассеяние луча ( первые компакт диски)

- изменения коэффициента оптического поглощения участка дорожки (пита) - тогда интенсивность отраженного луча тоже изменяется. Размер пита = участок, изменяющий характеристики отраженного луча: ширина 0, 5 микрон, шаг = 1, 5 микрон.

Информация считывается при освещении диска лазерным лучом с длиной волны 0, 8 мкм. При этом лазер должен обеспечивать три режима:
- запись, в котором мощность луча лазера максимальна;
- стирание, с меньшей мощностью луча;
- чтение, с минимальной мощностью лазерного луча, не позволяющей изменить состояние записывающего слоя.

 

Емкость CD = 650, 700, 800 Мбайт (до 1, 5 Гб)?. Время доступа от 30 до 300 ms. Информация записывается при помощи специального кода, который позволяет восстанавливать потерянную информацию. Длина спиральной дорожки – 5 км.

Скорость чтения: за базовую скорость чтения принята скорость чтения стандартных аудиодисков. 150 Кбайт / сек Þ Скорость вращения 500 об/мин для внутренних дорожек и 200 об/ мин для внешних Þ так, чтобы скорость чтения = const. Обозначения x8 x56 - во сколько раз скорость чтения данного накопителя больше базовой (8400 Кбайт / сек). Если качество диска не позволяет использовать max скорость считывания, то скорость автоматически уменьшается до нужного уровня.

Первые оптические диски получили название компакт-дисков (CD) ТК они не допускали записи (изменения) хранимой информации, то их, по аналогии с постоянными ЗУ (Read-Only Memory), стали называть CD-ROM, хотя это название точнее отнести к паре диск-привод, считывающий с диска информацию.

В настоящее время существуют следующие разновидности CD

СД-ROM- без возможности записи – только чтения.

СД-R – однократная запись (необратимая модификация активного слоя -органический активный материал)

СД-RW – многократная запись (обратимая модификация активного слоя) Записывающий слой у RW дисков представляет собой композитный материал (например, смесь серебра, иридия, теллура и антимония), который может изменять свое фазовое состояние, переходя либо в кристаллическую фазу, либо в аморфное состояние. Причем переход в одно или другое состояние происходит при нагреве материала сфокусированным лазерным лучом и последующим охлаждением.

 

DVD

Изначально «DVD» расшифровывалось как «Digital Video Disc» (цифровой видеодиск), поскольку данный формат первоначально разрабатывался как замена видеокассетам. Позже, когда стало ясно, что носитель подходит и для хранения произвольной информации, многие стали расшифровывать DVD как Digital Versatile Disc (цифровой многоцелевой диск). D= 120 мм, 80 мм.

Бывают: односторонние, Двухсторонние, с одним или двумя рабочими слоями с каждой стороны.

Односторонний, 1 слой – 4, 7 Гбайт

1 сторона, 2 слоя -8, 5 Гбайт

2 стороны 2 слоя – 17 Гбайт

Емкость диска D= 80 мм – в 2 – 3 раза меньше

Увеличение емкости по сравнению с СD достигнуто

1) за счет уменьшения длины волны лазера с 0, 76 мкм до 0, 65 – 0, 635 мкм, что обеспечило возможность снизить размер питов для записи приблизительно наполовину, а расстояние между отдельными дорожками – с 1, 6 до 0, 74 мкм. Т.Е увеличилась область записи информациии

2) Для записи используется более совершенный код, который позволяет экономить 1 байт на 2 бита при сохранении крайней надежности хранения информации. (код Рида - Соломона)

При воспроизведении двухслойного диска луч лазера вначале считывает информацию, записанную на нижнем, более глубоком слое, а затем автоматически перефокусируется на верхний, полупрозрачный слой. Выравнивающая память проигрывателя компакт-дисков работает таким образом, чтобы зритель не заметил перехода от одного слоя к другому.

За единицу скорости передачи информации для DVD-дисков принято значение 1.385 Мбайт/с. Т.е. если на приводе указано значение скорости чтения DVD 8X, то реальная скорость составляет 8х1.385 Мб/с=11.08 Мбайт /с.

 

Blue Ray – формат оптического диска. Диаметр -120 мм. для чтения и записи используется лазер с длиной волны 405 нм. Отсюда – более высокая плотность записи. Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 25 ГБ, двухслойный диск может вместить 50 ГБ, трёхслойный диск может вместить 100 ГБ, четырёхслойный диск может вместить 128 ГБ.

Скорость передачи данных достигает 54 Мбайт в секунду. Предназначен для записи и хранения цифровых данных с повышенной плотностью, включая видео высокой четкости.

 

Флэш-накопители

Флэш-память – это энергонезависимая перезаписываемая память на основе полевых транзисторов с плавающим затвором. Такой транзистор содержит два затвора - управляющий и плавающий. При записи на управляющем затворе создаётся электрическое поле и возникает туннельный эффект. При этом некоторые электроны туннелируют через слой изолятора и попадают на плавающий затвор, который способен их удерживать до 5-10 лет. Появившийся на плавающем затворе заряд изменяет «ширину» канала сток-исток и его проводимость, что используется при чтении. Для стирания информации на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.

Такой принцип действия приводит к тому, что при записи устройства флеш-памяти потребляют значительно больше энергии, чем при чтении. Кроме того, скорость чтения флеш-памяти значительно превышает скорость записи, оставаясь при этом меньшей, чем у жестких дисков. Скорость обмена также ограничивается пропускной способностью USB-порта, наиболее часто используемого для подключения флеш-памяти. Количество циклов записи в устройствах флеш-памяти ограничено и обычно составляет 100 тысяч (максимально – до миллиона) циклов, а максимальная емкость может достигать сотен и даже тысячи гиглбайт (2009 год).

 

⇐ Предыдущая12

Поделиться: