Что такое долговременная память компьютера
Долговременная память компьютера. Запоминающие устройства
Персональный компьютер в основном используется для того, чтобы увеличить эффективность работы человека. Но какова была бы ценность этого устройства, если бы оно не могло хранить данные? В этом ему помогает долговременная память. Темой данного обзора будет внешняя долговременная память, но для полноты картины не лишним также будет уделить внимание основной долговременной памяти.
Что относится к основной памяти?
Основная память прежде всего включает в себя оперативное запоминающее устройство. Это энергозависимая память. При выключении компьютера вся информация, которая на ней хранилась, исчезнет. К основной памяти также относится постоянное запоминающее устройство. Оно является энергонезависимым. В нем хранится та информация, которая меняться не должна. К таковой прежде всего относится конфигурация персонального компьютера, программное обеспечение, предназначенное для проведения тестирования компонентных устройств перед загрузкой операционной системы. Здесь также хранится одна из важнейших составляющих – BIOS или базовая система ввода/вывода. Стоит отметить, что у долговременной памяти компьютера и ПЗУ имеется много общего. Но все-таки их разделяют из-за важности хранимой информации.
Внешняя память
Внешней памятью называют место, в котором на длительном хранении размещены разнообразные данные, не использующиеся в данный момент в оперативной составляющей ПК. К таким данным можно отнести тексты, различные программы, результаты расчетов и так далее. Внешняя память компьютера является энергозависимой. Ее удобно транспортировать в тех случаях, когда компьютеры не являются объединенными в глобальную или локальную сеть. Для работы с внешней памятью, пользователю придется обзавестись накопителем.
Так называют специальное устройство, которое обеспечивает запись и считывание информации. Необходимыми также являются механизмы хранения. Значительное отличие долговременной памяти компьютера от оперативной заключается в том, что у нее нет прямой связи с процессором. Это может доставить некоторые неудобства при необходимости усложнить строение персонального компьютера. По этой причине долговременная и оперативная память ПК работают вместе. Данные из первой передаются во вторую, а потом напрямую или через кэш в процессор. Что относится к внешней памяти? Чтобы понимать, с чем вам придется иметь дело, нужно представлять, что является устройствами внешней памяти. К ней относятся:
— накопители на жестких магнитных дисках. Размер данных хранилищ используется в качестве показателя объема информации, которая может храниться на персональном компьютере.
— накопители на гибких магнитных дисках: считаются устаревшими устройствами, ранее использовались для переноса информации и программ между компьютерами.
— накопители на дисках: использовались для хранения значительных объемов информации.
— флэш-накопители: используются для хранения значительных объемов данных в небольших объектах. Также к внешней памяти относятся все остальные накопители, которые могут без проблем перемещаться от компьютера к компьютеру.
Классификация
Все запоминающие устройства делятся на категории и виды. В качестве краеугольного камня принимают принципы их функционирования, программные, эксплуатационно-технические, физические и прочие характеристики. Каждое устройство обладает своей технологией записи/хранения/воспроизведения цифровой информации. Основными характеристиками, которые имеют значение для пользователей, являются:
— информационная емкость;
— скорость обмена данными;
— надежность хранения информации;
— стоимость.
Именно по таким параметрам запоминающие устройства отличаются друг от друга. Конечно, существует еще множество различных характеристики, но интересны они будут скорее всего только профессионалам.
Магнитные устройства
Принцип работы устройств данного типа основан на хранении информации, при котором используются магнитные свойства материалов. Как правило, в самих устройствах имеются составляющие, отвечающие за чтение и запись информации на магнитный носитель, на котором все и хранится. Данные носители могут отличаться в зависимости от особенностей исполнения и физико-технических характеристик. Как правило используются дисковые и ленточные устройства. Они имеют общую технологию. Так, например, за счет намагничивания переменным магнитным полем информация наносится и считывается. Обычно данные процессы выполняются вдоль концентрических полей. Так называют специальные дорожки, которые находятся во всей плоскости вращающегося носителя. Запись информации осуществляется в цифровом коде. Для совершения намагничивания используются головки чтения и записи, которые представляют собой два управляемых магнитных контура с сердечниками. На обмотки данных контуров подается переменное напряжение.
Если величина данного напряжения будет изменяться, то это же относится и к направлению линий магнитного поля. Когда данный процесс происходит, значение бита информации меняется с единицы на ноль, или наоборот. Вот каким образом устроена долговременная память компьютера. Несмотря на низкую скорость работы и кажущуюся сложность такой схемы, можно смело сказать, что все предположения являются неоправданными. Таким образом, за отдельные моменты времени компьютер из современных жестких магнитных дисков может извлекать огромные массивы информации. Если вывести коэффициент эффективности такой системы, то устройства внешней памяти, выпущенные в последние годы, будут демонстрировать значение в сотни и тысячи раз превосходящее аналогичный показатель у устройств, выпущенных пару десятилетий назад.
Организация
Данные для операционной системы систематизируются и объединяются в дорожки и секторы. Дорожки в количестве восьмидесяти или сорока штук являются узкими концентрическими кольцами на диске. Каждая дорожка может быть разделена на отдельные части, которые также называют секторами. При осуществлении чтения или записи, всегда считывается целое количество секторов. Причем вне зависимости от объема запрашиваемой информации. Размер одного сектора составляет 512 байт. Следует также ознакомится с таким понятием, как цилиндр. Этим термином называют общее количество дорожек, с которого без перемещения головок можно считать информацию. Под ячейкой для размещения данных понимают самую малую область диска, которая используется операционной системой для записи файлов. Под ними обычно понимают один или несколько секторов.
Накопители. Жесткие диски
При работе с современными компьютерными системами наибольшую важность имеют такие устройства, как жесткие диски. В них в одном корпусе, как правило, объединены непосредственно сам носитель информации, интерфейсная часть или контролер и устройство чтения/записи. Данные приборы объединяются в специальные камеры. Здесь они находятся на одной оси и работают с блоком головок и общим приводящим механизмом. На данный момент жесткие диски являются наиболее вместимыми и широко используемыми устройствами. Сегодня никого уже не удивляет хранилище объемом 1 или 10 Тб. Однако данный параметр все-таки сказывается на скорости выполнения операций. Процесс считывания данных с такого носителя может занимать не один десяток секунд. Если сравнивать с более старыми моделями накопителей, прогресс быстродействиям все-таки виден налицо.
Переносные устройства
Как уже неоднократно подчеркивалось ранее, жесткие диски могут хранить в себе значительные объемы информации. Однако процесс их перестановки с одного персонального компьютера на другой – дело довольно непростое. В этом случае на помощь придут переносные устройства. Они представляют собой специальные механизмы, с помощью которых можно без особых проблем переносить данные между различными персональными компьютерами. Конечно, данные устройства имеют не такой большой объем внешней памяти, как жесткие диски. Но они все же смогли найти свою нишу благодаря легкости транспортировки и подключения. Сегодня наибольшей популярностью пользуются два типа подобных устройств: это оптические диски и флэш-накопители. У каждого из этих накопителей имеются свои недостатки и преимущества.
Что такое долговременная 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. В настоящее время к основным устройствам долговременной памяти относятся жесткие магнитные диски, накопители на оптических дисках, устройства флеш-памяти. Ранее для длительного хранения информации использовались также магнитные ленты, дискеты, магнито-оптические диски.
Основным устройством внешней памяти является жесткий магнитный диск (рисунок 1). Внутри жесткого диска находятся одна или несколько пластин, насаженных на общий шпиндель. Данные обычно записываются на обеих сторонах каждой пластины, хотя в некоторых жестких дисках производители наряду с двухсторонними пластинами могут использовать и односторонние. Запись и чтение информации осуществляются с помощью головок чтения/записи. Под пластинами располагается двигатель, который вращает их с достаточно большой скоростью. Скорость вращения пластин измеряется в оборотах в минуту (rpm). Первые жесткие диски имели скорость вращения 3600 rpm. В современных жестких дисках скорость вращения возросла до 7200, 10 000 и 15 000 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 жесткого диска необходимо выполнить операцию его форматирования.
Форматирование включает в себя три этапа.
1. Низкоуровневое форматирование диска. При этом процессе на жестком диске создаются физические структуры: дорожки, секторы, управляющая информация. Этот процесс выполняется заводом-изготовителем на пластинах, которые не содержат еще никакой информации.
2. Разбиение на разделы. Этот процесс разбивает жесткий 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 ее типа. При высокоуровневом форматировании создаются логические структуры, ответственные за правильное хранение файлов, а также, в некоторых случаях, системные загрузочные файлы в начале диска.
Жесткие диски изначально создавались в качестве внутренних устройств и не были предназначены для резервного копирования и переноса информации с одного компьютера на другой. Около 20 лет назад самым распространенным устройством, предназначенным для этих целей, были дискеты (гибкие магнитные диски). Однако их емкость по современным меркам была очень мала (1,44 Мбайт), поэтому на смену им пришли оптические диски CD (компакт-диски), позволяющие хранить достаточно большие объемы информации (650-800 Мбайт) и намного превосходящие дискеты по степени надежности. Для работы с компакт-дисками на компьютере необходимо наличие специального привода (оптического накопителя).
Обзор жесткого диска представлен на видео 1:
Обзор жесткого диска.MTS
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 темными пятнами специального регистрирующего слоя, получившимися в результате нагрева нужного участка лазером. Чередованием углублений и промежутков между ними и кодируется любая информация.
Диски DVD имеют более высокую плотность записи данных, чем CD-диски. Существуют диски, на которых запись информации производится в два слоя. В зависимости от указанных выше параметров DVD-диски могут иметь объем 4,7 Гб или 8,5 Гб. Все компакт-диски (и CD, и DVD) имеют одинаковую структуру хранения информации. 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 Кб/с, для DVD — 1,385 Мб/с.
Blu-ray (Blu-ray Disc) является названием формата оптического диска следующего поколения. В Blu-Ray для записи и чтения данных вместо красного лазера, который используется в DVD и CD-ROM, применен синий лазер. У синего лазера длина волны значительно меньше длины волны красного лазера. Это позволяет сделать толщину дорожки данных тоньше, что приводит к значительному увеличению емкости носителя. Формат был разработан для обеспечения возможности записи, перезаписи и воспроизведения видео высокого разрешения (HD-video), а также для хранения больших объемов данных. Емкость нового формата — от 25 до 50 Гб.
По устройству флеш-память (flash-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 остается в этом положении до тех пор, пока на него 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.
USB flash drive (флеш-накопитель, рисунок 2) — устройство на основе флеш-памяти для хранения и переноса данных с одного компьютера на другой.
Глава 1. Компьютер. Программное и аппаратное обеспечение
Долговременная (внешняя) память.
Магнитный и оптический принципы записи, хранения и считывания информации.
Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам и объёму хранимой информации. Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю. Внутренняя память была рассмотрена на прошлом уроке (см. Урок №7 ). Основная память, предназначена для хранения выполняемых программ и данных, непосредственно используемых в этих программах.
Основная (внутренняя) память включает:
1 Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 2 10 байт,
1 Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 2 20 байт,
1 Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 2 30 байт.
1 Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 2 40 байт,
1 Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = 2 50 байт.
Внешняя память
Кроме основной памяти, персональный компьютер имеет внешнюю память. Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного ( энергонезависимого) хранения большого объема информации (программы, документы и пр.) и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В ней хранятся программы и данные, загружаемые в оперативное запоминающее устройство. Емкость внешней памяти значительно превосходит емкость ОЗУ. Хранится информация на носителях (например, дисках или дискетах), а Запись информации на диски осуществляется специальным устройством — накопителем.
В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:
В состав внешней памяти компьютера входят:
Ёмкость жесткого диска является характеристикой компьютера, так как определяет объем информации, которую способен хранить компьютер. Как правило, персональный компьютер оборудуется одним накопителем на жестком магнитном диске(винчестере), однако существует возможность установки второго.
В состав системного блока могут входить один или два накопителя на гибких магнитных исках(дискетах). Дискеты используются для хранения резервных копий программного обеспечения и переноса созданных пользователем документов и программ с одного компьютера на другой
Компьютер может быть оборудован накопителем на оптических дисках (его еще называют CDROM— compact disk read only memory). Оптические диски используются для хранения программного обеспечения, мультимедиа информации.
Накопители на гибких магнитных дисках
Гибкий диск (англ. floppy disk), или дискета, — носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения.
Рис.1.Устройство дискеты
Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.
Способ записи двоичной информации на магнитной среде называется магнитным кодированием. Он заключается в том, что магнитные домены в среде выстраиваются вдоль дорожек в направлении приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обычно устанавливается однозначное соответствие между двоичной информацией и ориентацией магнитных доменов.
Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов.
Рис. 2. Поверхность магнитного диска
В настоящее время наибольшее распространение получили дискеты со следующими характеристиками: диаметр 3,5 дюйма ( 89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18.
Рис. 3. Гибкий магнитный диск (дискета) 3,5 дюйма емкостью до 1,44 Мегабайта
В последнее время появились трехдюймовые дискеты, которые могут хранить до 3 Гбайт информации. Они изготавливаются по новой технологии Nano2 и требуют специального оборудования для чтения и записи.
Накопители на жестких магнитных
Если гибкие диски — это средство переноса данных между компьютерами, то жесткий диск — информационный склад компьютера.
Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ. HDD — Hard Disk Drive) или винчестер — это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины — платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации — программ и данных.
Рис. 4. Винчестер со снятой крышкой корпуса
Как и у дискеты, рабочие поверхности платтеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки — на секторы. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке модуля данных на дисковод он автоматически соединяется с системой, подкачивающей очищенный охлажденный воздух. Поверхность платтера имеет магнитное покрытие толщиной всего лишь в 1,1 мкм, а также слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъёме на ходу. При вращении платтера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 0,5 мкм над поверхностью диска.
Винчестерские накопители имеют очень большую ёмкость: от 10 до 100 Гбайт. У современных моделей скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 7200 об/мин, среднее время поиска данных 9 мс, средняя скорость передачи данных до 60 Мбайт/с. В отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно. Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем (обычно 2 Мбайта), который существенно повышает их производительность. Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска.
Накопители на компакт-дисках
Здесь носителем информации является CD-ROM (Сompact Disk Read-Only Memory — компакт диск, из которого можно только читать).
CD-ROM 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.
Информация на диске представляется в виде последовательности впадин (углублений в диске) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположеных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска. На каждом дюйме ( 2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Для сравнения — на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек. Емкость CD достигает 780 Мбайт. Информация наносится на диск при его изготовлении и не может быть изменена.
CD-ROM обладают высокой удельной информационной емкостью, что позволяет создавать на их основе справочные системы и учебные комплексы с большой иллюстративной базой. Один CD по информационной емкости равен почти 500 дискетам. Cчитывание информации с CD-ROM происходит с достаточно высокой скоростью, хотя и заметно меньшей, чем скорость работы накопителей на жестком диске. CD-ROM просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, c них невозможно случайно стереть информацию.
В отличие от магнитных дисков, компакт-диски имеют не множество кольцевых дорожек, а одну — спиральную, как у грампластинок. В связи с этим, угловая скорость вращения диска не постоянна. Она линейно уменьшается в процессе продвижения читающей лазерной головки к краю диска.
Рис. 2.9. Накопитель CD-ROM
Для работы с CD-ROM нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM (рис. 2.9), преобразующий последовательность углублений и выступов на поверхности CD-ROM в последовательность двоичных сигналов. Для этого используется считывающая головка с микролазером и светодиодом. Глубина впадин на поверхности диска равна четверти длины волны лазерного света. Если в двух последовательных тактах считывания информации луч света лазерной головки переходит с выступа на дно впадины или обратно, разность длин путей света в этих тактах меняется на полуволну, что вызывает усиление или ослабление совместно попадающих на светодиод прямого и отраженного от диска света.
Если в последовательных тактах считывания длина пути света не меняется, то и состояние светодиода не меняется. В результате ток через светодиод образует последовательность двоичных электрических сигналов, соответствующих сочетанию впадин и выступов на дорожке.
Рис. Профиль дорожки CD-ROM
Различная длина оптического пути луча света в двух последовательных тактах считывания информации соответствует двоичным единицам. Одинаковая длина соответствует двоичным нулям.
Сегодня почти все персональные компьютеры имеют накопитель CD-ROM. Но многие мультимедийные интерактивные программы слишком велики, чтобы поместиться на одном CD. На смену технологии СD-ROM стремительно идет технология цифровых видеодисков DVD. Эти диски имеют тот же размер, что и обычные CD, но вмещают до 17 Гбайт данных, т.е. по объему заменяют 20 стандартных дисков CD-ROM. На таких дисках выпускаются мультимедийные игры и интерактивные видеофильмы отличного качества, позволяющие зрителю просматривать эпизоды под разными углами камеры, выбирать различные варианты окончания картины, знакомиться с биографиями снявшихся актеров, наслаждаться великолепным качеством звука.
4. Записывающие оптические и магнитооптические накопители
·Записывающий накопитель CD-R (Compact Disk Recordable) способен, наряду с прочтением обычных компакт-дисков, записывать информацию на специальные оптические диски емкостью 650 Мбайт. В дисках CD-R отражающий слой выполнен из золотой пленки. Между этим слоем и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные впадинам. Накопители CD-R, благодаря сильному удешевлению, приобретают все большее распространение.
Рис.2.10. Накопитель CD-MO
Накопитель на магнито-оптических компакт-дисках СD-MO (Compact Disk — Magneto Optical) (рис. 2.10). Диски СD-MO можно многократно использовать для записи. Ёмкость от 128 Мбайт до 2,6 Гбайт.
Записывающий накопитель CD-R (Compact Disk Recordable) способен, наряду с прочтением обычных компакт-дисков, записывать информацию на специальные оптические диски. Ёмкость 650 Мбайт.
Накопитель WARM (Write And Read Many times), позволяет производить многократную запись и считывание.
На CD?ROM (CD — компакт-диск) и DVD-ROM (DVD — цифровой видеодиск) хранится информация, записанная в процессе изготовления. Запись новой информации невозможна (Read Only Memory — только чтение). Производятся такие диски путем штамповки и имеют серебристый цвет.
Информационная емкость CD-ROM диска может достигать 800 Мбайт, а скорость считывания информации в CD-ROM-накопителе зависит от скорости вращения диска. Одна скорость = 150 Кбайт/с. Скорость CD-ROM-накопителя до 7,8 Мбайт/с.
Одна скорость = примерно 1,3 Мбайт/с. DVD-ROM-дисководы достигают скорости считывания до 21 Мбайт/с.
Flash-память — энергонезависимый тип памяти, позволяющий перезаписывать и хранить данные в микросхемах. Информационная емкость карт памяти от 32 до 1024 Мбайт
5. Накопители на магнитной ленте (стримеры) и накопители на сменных дисках
Стример (англ. tape streamer) — устройство для резервного копирования больших объёмов информации.В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой ёмкостью 1 — 2 Гбайта и больше.
Стримеры позволяют записать на небольшую кассету с магнитной лентой огромное количество информации. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед её записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объём сохраняемой информации.
Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации.
В последнее время всё шире используются накопители на сменных дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объём сменных дисков — от сотен Мбайт до нескольких Гигабайт.