Современные многоуровневые машины

Аппаратное обеспечение

 

Цифровой компьютер – это машина, которая может решать задачи, выполняя данные ей команды. Последовательность команд, описывающих решение опре­деленной задачи, называется программой. Электронные схемы каждого компью­тера могут распознавать и выполнять ограниченный набор простых команд. Все программы перед выполнением должны быть превращены в последовательность таких команд, которые обычно не сложнее, чем, например:

· сложить 2 числа;

· проверить, не является ли число нулем;

· скопировать блок данных из одной части памяти компьютера в другую.

Эти примитивные команды в совокупности составляют язык, на котором лю­ди могут общаться с компьютером. Такой язык называется машинным. Разработ­чик при создании нового компьютера должен решить, какие команды включить в машинный язык этого компьютера. Это зависит от назначения компьютера и от задач, которые он должен решать. Обычно стараются сделать машинные ко­манды как можно проще, чтобы избежать сложностей при разработке компьюте­ра и снизить затраты на необходимую электронику. Большинство машинных языков крайне примитивны, из-за чего писать на них и трудно, и утомительно.

Развитие многоуровневых машин

Програм­мы, написанные на машинном языке (уровень 1), могут сразу без применения интерпретаторов и трансляторов выполняться электронными схемами компью­тера (уровень 0). Эти электронные схемы вместе с памятью и средствами вво­да-вывода формируют аппаратное обеспечение. Аппаратное обеспечение состо­ит из осязаемых объектов – интегральных схем, печатных плат, кабелей, источников электропитания, модулей памяти и принтеров. Абстрактные поня­тия, алгоритмы и команды к аппаратному обеспечению не относятся.

  Программное обеспечение, напротив, состоит из алгоритмов (подробных по­следовательностей команд, которые описывают, как решить задачу) и их компь­ютерных представлений, то есть программ. Программы могут храниться на жест­ком диске, гибком диске, компакт-диске или других носителях, но это не так уж важно; в сущности, программное обеспечение – это набор команд, составляю­щих программы, а не физические носители, на которых эти программы записаны.

В самых первых компьютерах граница между аппаратным и программным обес­печением была очевидна. Со временем, однако, произошло значительное размы­вание этой границы, в первую очередь благодаря тому, что в процессе развития компьютеров уровни добавлялись, убирались и сливались друг с другом. В на­стоящее время очень сложно отделить их друг от друга.

Второе поколение – транзисторы (1955-1965)

Транзистор был изобретен сотрудниками лаборатории Веll в 1955 году. В течение десяти лет транзисторы совершили револю­цию в производстве компьютеров, и к концу 50-х годов компьютеры на вакуум­ных лампах уже безнадежно устарели. Первый компьютер на транзисторах был построен в лаборатории МТИ.

Через несколько лет компания DEC разработала модель PDP-8. Главное нововведение – единственная шина, показанная на рисунке. Шина – это набор параллельно соединенных проводов для связи компонентов компьютера. Такая струк­тура с тех пор стала использоваться во всех компьютерах.

Рисунок – Шина компьютера PDP-8

 

Третье поколение – интегральные схемы (1965-1980)

Изобретение в 1958 году Робертом Нойсом кремниевой инте­гральной схемы означало возможность размещения на одной небольшой микро­схеме десятков транзисторов. Компьютеры на интегральных схемах были мень­шего размера, работали быстрее и стоили дешевле, чем их предшественники на транзисторах.

Типы компьютеров

Компьютерная промышленность двигается вперед как никакая другая. Главная движущая сила – способность производителей помещать с каждым годом все больше и больше транзисторов на микросхему. Чем больше транзисторов (кро­шечных электронных переключателей), тем больше объем памяти и мощнее про­цессоры. Гордон Мур, один из основателей и бывший предсе­датель совета директоров Intel, сформулировал закон технологического прогресса, известный теперь под именем закона Мура. Когда Гордон готовил доклад для одной из промыш­ленных групп, он заметил, что каждое новое поколение микросхем появляется через три года после предыдущего. Поскольку у каждого нового поколения ком­пьютеров было в 4 раза больше памяти, чем у предыдущего, стало понятно, что число транзисторов на микросхеме возрастает на постоянную величину и, таким образом, этот рост можно предсказать на годы вперед. Закон Мура гласит, что количество транзисторов на одной микросхеме удваивается каждые 18 месяцев, то есть увеличивается на 60 % каждый год. Размеры микросхем и даты их произ­водства подтверждают, что закон Мура действует до сих пор.

Спектр компьютеров

Развивать компьютерные технологии исходя из закона Мура можно двумя путями: создавать компьютеры все большей и большей мощности при постоян­ной цене или выпускать одну и ту же модель с каждым годом за меньшие деньги. Компьютерная промышленность идет по обоим этим путям, создавая широкий спектр разнообразных компьютеров. Очень примерная классификация совре­менных компьютеров представлена в таблице.

Таблица – Типы современных компьютеров. Указанные цены приблизительны

Тип	Цена, доллары	Сфера применения
«Одноразовые»	0,5	Поздравительные открытки
Встроенные (микроконтроллеры)	5	Часы, машины, различные приборы
Игровые	50	Домашние компьютерные игры
Персональные	500	Настольные и портативные компьютеры
Серверы	5000	Сетевые серверы
Комплексы рабочих станций	50 000-500 000	Супермини-компьютеры
Мэйнфреймы	5 000 000	Пакетная обработка данных в банке

 

Одноразовые компьютеры. В самой верхней строчке таблицы находятся микросхемы, которые приклеи­ваются на внутреннюю сторону поздравительных открыток для проигрывания мелодий типа «С Днем Рождения!», или чего-нибудь подобного.

Микроконтроллеры. Вторая категория в таблице отведена под компьютеры, которыми оснащаются разного рода бытовые устройства. Такого рода встроенные компьютеры, назы­ваемые также микроконтроллерами, выполняют функцию управления устройст­вами и организации их пользовательских интерфейсов. Диапазон устройств, работающих с помощью микрокомпьютеров, крайне широк (примеры даются в скобках):

· бытовые приборы (будильники, стиральные машины, сушильные аппара­ты, микроволновые печи, охранные сигнализации);

· коммуникаторы (беспроводные и сотовые телефоны, факсимильные аппа­раты, пейджеры);

· периферийные устройства (принтеры, сканеры, модемы, приводы CD-ROM);

· развлекательные устройства (видеомагнитофоны, музы­кальные центры, МРЗ-плееры, телеприставки);

· формирователи изображений (телевизоры, цифровые фотокамеры, видео­камеры, объективы, фотокопировальные устройства);

· медицинское оборудование (рентгеноскопические аппараты, томографы, кардиомониторы, цифровые термометры);

· военные комплексы вооружений (крылатые ракеты, межконтинентальные баллистические ракеты, торпеды);

· торговое оборудование (торговые автоматы, кассовые аппараты);

· игрушки (говорящие куклы, приставки для видеоигр, радиоуправляемые машинки и лодки).

Игровые компьютеры (приставки). Следующая категория – игровые компьютеры. Это, по-существу, обычные ком­пьютеры, в которых расширенные возможности графических и звуковых кон­троллеров сочетаются с ограничениями по объему программного обеспечения и пониженной расширяе­мостью. Первоначально в эту категорию входили компьютеры с процессорами низших моделей для простых игр типа пинг-понга, которые предусматривали вывод изображения на экран телевизора. С годами игровые компьютеры превра­тились в достаточно мощные системы, которые по некоторым параметрам произ­водительности ничем не хуже, а иногда даже лучше персональных компьютеров.

Компании-производители стандартных игровых компью­теров имеют обыкновение расширять ассортимент своей продукции за счет пор­тативных (переносных) игровых систем, питающихся от аккумуляторов. Эти системы по своим характеристикам ближе к встроенным системам, нежели к персональным компьютерам.

Персональные компьютеры. В следующую категорию входят персональные компьютеры. Именно они ассо­циируются у большинства людей со словом «компьютер». Персональные компь­ютеры бывают двух видов: настольные и портативные (ноутбуки). Как правило, те и другие комплектуются модулями памяти общей емкостью в сотни мегабай­тов, жестким диском с данными на несколько десятков гигабайтов, приводом DVD, модемом, звуковой картой, сетевым интерфейсом, монитором с высоким разрешением и рядом других периферийных устройств. На них уста­навливаются сложные операционные системы, они расширяемы, при работе с ними используется широкий спектр программного обеспечения.

Центральным компонентом любого персонального компьютера является пе­чатная плата, на которой устанавливаются модули процессора, памяти и уст­ройств ввода-вывода (звуковая плата, модем и т.д.), интерфейсы клавиатуры, мыши, дискового привода, сетевой платы и прочих периферийных устройств, а также расширительные гнезда.

Ноутбуки, кроме своей компактности, ничем не отличаются от настоль­ных ПК. В них устанавливаются аналогичные, хотя и меньшие по размеру, аппа­ратные компоненты. По возможностям выполнения и набору программ настоль­ные и портативные компьютеры не различаются.

К персональным очень близки карманные компьютеры (PDA). Они еще меньше, чем ноутбуки, однако процессор, память, клавиатура, дисплей и боль­шинство других стандартных компонентов персонального компьютера в них присутствуют.

Серверы. Мощные персональные компьютеры и рабочие станции часто используются в качестве сетевых серверов – как в локальных сетях (обычно в пределах одной организации), так и в Интернете. Серверы, как правило, поставляются в одно­процессорной и мультипроцессорной конфигурациях. В системах из этой кате­гории обычно устанавливаются модули памяти общим объемом в несколько ги­габайтов, жесткие диски емкостью в сотни гигабайтов и высокоскоростные сетевые интерфейсы. Некоторые серверы способны обрабатывать тысячи тран­закций в секунду.

С точки зрения архитектуры однопроцессорный сервер не слишком отли­чается от персонального компьютера. Он просто работает быстрее, занимает больше места, содержит больше дискового пространства и устанавливает более скоростные сетевые соединения.

Комплексы рабочих станций. В связи с тем, что по соотношению «цена/производительность» позиции рабо­чих станций иперсональных компьютеров постоянно улучшаются, в последние годы появилась практика их объединения в рамках кластеров рабочих станций (Clusters Of Workstations, COW), которые иногда называют просто «кластерами». Они состоят из нескольких персональных компьютеров или рабочих станций, подключенных друг к другу по высокоскоростной сети и снабженных специаль­ным программным обеспечением, которое позволяет направлять их ресурсы на решение единых задач (как правило, научных и инженерных). В большинстве случаев компоненты кластера – это совершенно обычные коммерческие машины, которые можно приобрести по отдельности в любом компьютерном магазине. Вы­сокоскоростные сетевые соединения, как правило, тоже можно организовать при помощи стандартных сетевых плат. Кластеры отличаются удобством масштаби­рования – любой кластер можно расширить с десятка до нескольких тысяч ма­шин. Количество компонентов кластера обычно ограничивается лишь толщиной кошелька покупателя. Поскольку компоненты кластеров достаточно дешевы, их приобретение могут себе позволить не только организации, но и их отделы.

Нередко в виде кластеров организуются веб-серверы. Если частота обраще­ний к страницам веб-сайта исчисляется тысячами в секунду, дешевле организо­вать кластер из нескольких сотен (или даже тысяч) серверов и распределить ме­жду ними нагрузку по обработке запросов. Кластеры, реализующие такую схему, часто называют серверными фермами (server farms).

Мэйнфреймы. Наконец мы дошли до больших компьютеров размером с комнату, напоминаю­щих компьютеры 60-х годов и традиционно называемых мэйнфреймами.

 Обычно они работают не намного быстрее, чем мощные серверы, но у них выше скорость процессов ввода-вывода и обладают они довольно большим простран­ством на диске – 1 Тбайт и более (1 терабайт = 10¹² байт). Такие системы стоят очень дорого и требуют крупных вложений в программное обеспечение, данные и персонал, обслуживающий эти компьютеры. Многие компании считают, что дешевле заплатить несколько миллионов долларов один раз за такую систему, чем даже думать о необходимости заново программировать все прикладные про­граммы для маленьких компьютеров.

В последние годы под влиянием Интернета наблюдается возрождение мэйн­фреймов как полноценной категории компьютеров. Они заняли нишу мощных серверов Интернета, способных обрабатывать огромное количество транзакций в секунду, что крайне актуально для электронной коммерции в целом и компа­ний, вынужденных обслуживать громадные базы данных, в частности.

До последнего времени существовала еще одна крупная категория вычисли­тельных машин – суперкомпьютеры. Их процессоры работали с очень высокой скоростью, в них устанавливались модули памяти общей емкостью в несколько десятков гигабайтов, высокоскоростные диски и сетевые интерфейсы. Супер­компьютеры используются для решения различных научных и технических за­дач, которые требуют сложных вычислений, например таких, как моделирование сталкивающихся галактик, синтез новых лекарственных препаратов, моделиро­вание потока воздуха вокруг крыла аэроплана. Сейчас, когда вычислительные возможности, аналогичные тем, что предлагают суперкомпьютеры, реализуются в виде кластеров, эта категория компьютеров постепенно отмирает.

Процессоры

На рисунке показана структура обычного компьютера с шинной организацией. Центральный процессор – это мозг компьютера. Его задача – выполнять про­граммы, находящиеся в основной памяти. Он вызывает команды из памяти, опре­деляет их тип, а затем выполняет одну за другой. Компоненты соединены шиной, представляющей собой набор параллельно связанных проводов, по которым пере­даются адреса, данные и сигналы управления. Шины могут быть внешними (свя­зывающими процессор с памятью и устройствами ввода-вывода) и внутренними.

Рисунок – Схема компьютера с одним центральным процессором и двумя устройствами ввода-вывода

 

 Процессор состоит из нескольких частей. Блок управления отвечает за вызов команд из памяти и определение их типа. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические операции (например, сложение) и логические опера­ции (например, логическое И).

Внутри центрального процессора находится память для хранения промежу­точных результатов и некоторых команд управления. Эта память состоит из не­скольких регистров, каждый из которых выполняет определенную функцию. Обычно размер всех регистров одинаков. Каждый регистр содержит одно число, которое ограничивается размером регистра. Регистры считываются и записыва­ются очень быстро, поскольку они находятся внутри центрального процессора.

Самый важный регистр – счетчик команд, который указывает, какую коман­ду нужно выполнять следующей. Название «счетчик команд» не соответствует действительности, поскольку он ничего не считает, но этот термин употребляет­ся повсеместно. Еще есть регистр команд, в котором находится выполняемая в данный момент команда. У большинства компьютеров имеются и другие реги­стры, одни из них многофункциональны, другие выполняют лишь какие-либо специфические функции.

Магнитные диски

Магнитный диск состоит из одной или нескольких алюминиевых поверхностей, покрытых магнитным слоем. Изначально их диаметр составлял 50 см, сейчас – от 3 до 12 см, у портативных компьютеров – меньше 3 см, причем это значение продолжает уменьшаться. Головка диска, содержащая индукционную катушку, двигается над поверхностью диска, опираясь на воздушную подушку. Отметим, что у дискет головка касается поверхности. Когда через головку проходит поло­жительный или отрицательный ток, он намагничивает поверхность под голов­кой. При этом магнитные частицы намагничиваются направо или налево в зави­симости от полярности тока. Когда головка проходит над намагниченной областью, в ней (в головке) возникает положительный или отрицательный ток, что дает возможность считывать записанные ранее биты. Поскольку диск враща­ется под головкой, поток битов может записываться, а потом считываться. Кон­фигурация дорожки диска показана на рисунке.

Рисунок – Фрагмент дорожки диска (два сектора)

Дорожкой называется круговая последовательность битов, записанных на диск за его полный оборот. Каждая дорожка делится на секторы фиксированной длины. Каждый сектор обычно содержит 512 байт данных. Перед данными рас­полагается преамбула (preamble), которая позволяет головке синхронизировать­ся перед чтением или записью. После данных идет код исправления ошибок (Error-Correcting Code, ECC), в качестве которого используется код Хэмминга или чаще код Рида-Соломона, позволяющий исправлять множественные ошибки, а не только одиночные. Между соседними секторами находится межсекторный интервал. Многие производители указывают размер неформатированного диска (как будто каждая дорожка содержит только данные), хотя честнее было бы ука­зывать вместимость форматированного диска, на котором не учитываются пре­амбулы, ЕСС-коды и межсекторные интервалы. Емкость форматированного дис­ка обычно на 15% меньше емкости неформатированного.

У всех дисков есть кронштейны, они могут перемещаться туда и обратно по радиусу на разные расстояния от шпинделя, вокруг которого вращается диск. На разных расстояниях от оси записываются разные дорожки. Таким образом, до­рожки представляют собой ряд концентрических кругов, расположенных вокруг шпинделя. Ширина дорожки зависит от величины головки и от точности ее пе­ремещения. На сегодняшний момент диски имеют от 5000 до 10 000 дорожек на см, то есть ширина каждой дорожки составляет от 1 до 2 микрон (1 микрон = = 1/1000 мм). Следует отметить, что дорожка – это не углубление на поверхно­сти диска, а просто кольцо намагниченного материала, которое отделяется от других дорожек небольшими пограничными областями.

Плотность записи битов на концентрических дорожках различается в зависи­мости от расстояния от центра диска и зависит главным образом от качества по­верхности диска и чистоты воздуха. Плотность записи современных дисков раз­нится от 50 000 до 100 000 бит/см. Таким образом, при записи в радиальном направлении на единицу площади приходится примерно в 50 раз больше дан­ных, чем в направлении по окружности.

Для повышения плотности производители разрабатывают технологии, в ко­торых «длинное» измерение битов проходит не вдоль окружности диска, а вер­тикально – оно как бы уходит в глубь материала. Эти технологии обобщенно на­зываются перпендикулярной записью, и уже очень скоро появятся первые коммерческие модели дисков на основе этих технологий.

Чтобы достичь высокого качества поверхности и достаточной чистоты воз­духа, диски герметично закрываются. Такие диски называются винчестерами. Впервые они были выпущены фирмой IBM. У них было 30 Мбайт фиксирован­ной памяти и 30 Мбайт сменной памяти.

Большинство магнитных дисков состоит из нескольких пластин, расположен­ных друг под другом, как показано на рисунке. Каждая поверхность снабжена кронштейном и головкой. Кронштейны скреплены таким образом, что одновре­менно могут перемещаться на разные расстояния от оси. Совокупность дорожек, расположенных на одном расстоянии от центра, называется цилиндром. В современных моделях дисков для ПК устанавливается от 6 до 12 пластин, содержа­щих от 12 до 24 рабочих поверхностей

 

Рисунок – Винчестер с четырьмя дисками

 

Производительность диска зависит от многих факторов. Чтобы считать или записать сектор, головка должна переместиться на нужное расстояние от оси. Этот процесс называется поиском. Среднее время поиска между дорожками, взятыми наугад, составляет от 5 до 10 мс, а поиск между смежными дорожка­ми – менее 1 мс. Когда головка помещается на нужное расстояние от центра, вы­жидается некоторое время (оно называется временем ожидания сектора), пока нужный сектор не окажется под головкой. Большинство дисков вращаются со скоростью 5400, 7200 или 10 800 оборотов в минуту. Таким образом, среднее время ожидания сектора (половина оборота) составляет от 3 до 6 мс. Время пе­редачи информации зависит от плотности записи и скорости вращения. При скорости передачи от 20 до 40 Мбайт в секунду время передачи одного сектора (512 байт) составляет от 13 до 26 мкс. Следовательно, время поиска и время ожидания сектора определяет время передачи информации. Ясно, что считы­вание секторов из разных частей диска неэффективно.

Следует упомянуть, что из-за наличия преамбул, ЕСС-кодов, промежутков между секторами, а также из-за того, что определенное время затрачивается на поиск дорожки и ожидание сектора, существует огромная разница между скоро­стью передачи данных для случаев, когда необходимые данные разбросаны в разных частях диска и когда они находятся в одном месте и считываются после­довательно. Максимальная скорость передачи данных в первом случае достига­ется в тот момент, когда головка располагается над первым битом данных. Одна­ко такая скорость работы может сохраняться только на одном секторе. Для некоторых приложений, например мультимедиа, имеет значение именно средняя скорость передачи за некоторый период с учетом необходимого времени поиска и времени ожидания сектора.

Суммарная длина внешних дорожек боль­ше, чем длина внутренних. Поскольку все магнитные диски вращаются с посто­янной угловой скоростью независимо от того, где находятся головки, возникает очевидная проблема. Раньше при производстве дисков изготовители создавали максимально возможную плотность записи на внутренней дорожке, и при про­движении от центра диска плотность записи постепенно снижалась. Если дорож­ка содержит, например, 18 секторов, то каждый из них занимает дугу в 20°, и не важно, на каком цилиндре находится эта дорожка.

В настоящее время используется другая стратегия. Цилиндры делятся на зо­ны (на диске их обычно от 10 до 30). При продвижении от центра диска число секторов на дорожке в каждой зоне возрастает. Это усложняет процедуру хране­ния информации на дорожке, но зато повышает емкость диска, что считается бо­лее важным. Все секторы имеют одинаковый размер. Схема диска с пятью зона­ми изображена на рисунке.

 

Рисунок – Диск с пятью зонами, каждая зона содержит несколько дорожек

 

С диском связан так называемый контроллер – микросхема, которая управ­ляет диском. Некоторые контроллеры содержат целый процессор. В задачи кон­троллера управление перемещением кронштейна, обнаружение и исправление ошибок, преобразование байтов, счи­тываемых из памяти, в непрерывный поток битов и наоборот. Некоторые кон­троллеры производят буферизацию и кэширование нескольких секторов на случай их дальнейшего использования, а также пропускают поврежденные секторы. Не­обходимость последней функции вызвана наличием секторов с поврежденным, то есть постоянно намагниченным, участком. Когда контроллер обнаруживает поврежденный сектор, он заменяет его одним из свободных секторов, которые выделяются специально для этой цели в каждом цилиндре или зоне.

Стандарты магнитных дисков

IDE -диски. Диски современных персональных компьютеров развились из диска машины IBM PC XT. Это был диск Seagate на 10 Мбайт, управляемый контроллером Xebec на встроенной карте. У этого диска было 4 головки, 306 цилиндров и по 17 секторов на дорожке. Контроллер мог управлять двумя дисками. Операцион­ная система считывала с диска и записывала на диск информацию. Для этого она передавала параметры в регистры процессора и вызывала систему BIOS (Basic Input Output System – базовая система ввода-вывода), расположенную во встроенном ПЗУ. Система BIOS запрашивала машинные команды для загрузки регистров контроллера, которые начинали передачу данных.

Сначала контроллер помещался на отдельной плате, а с выходом в середине 80-х годов устройств IDE (Integrated Drive Electronics – устройство со встроен­ным контроллером) стал встраиваться в материнскую плату. Однако соглаше­ния о вызовах системы BIOS не изменились, поскольку необходимо было обес­печить совместимость с более старыми версиями. Обращение к секторам производилось по номерам головки, цилиндра и сектора, причем головки и ци­линдры нумеровались с 0, а секторы – с 1.

Вскоре появились диски объемом более 504 Мбайт, но у них была другая гео­метрия (4 головки, 32 сектора, 2000 цилиндров). Операционная система не мог­ла обращаться к ним из-за того, что соглашения о вызовах системы BIOS не ме­нялись (требование совместимости). В результате контроллеры начали выдавать информацию из предположения, что геометрия диска соответствует указанной в BIOS. Но на самом деле виртуальная геометрия просто накладывалась на реаль­ную. Хотя этот метод действовал, он затруднял работу операционных систем, ко­торые размещали данные на диске определенным образом, чтобы сократить вре­мя поиска.

В конце концов на смену IDE-дискам пришли устройства EIDE (Extended IDE – усовершенствованные устройства со встроенным контроллером), под­держивающие дополнительную схему адресации LBA (Logical Block Addressing – линейная адресация блоков). При линейной адресации секторы просто нумеру­ются от 0 до 2²⁸-1. Хотя контроллеру приходится преобразовывать LBA-адреса в адреса головки, сектора и цилиндра, зато объем диска может превышать 504 Мбайт.

Стандарт EIDE совершенствовался вместе с развитием технологического про­гресса, но тем не менее его преемника назвали АТА-3. Следующая версия стандарта, названная ATAPI -4 (ATA Packet Interface – пакетный интерфейс АТА), отличалась скоростью 33 Мбит/с. В версии ATAPI-5 она достигла 66 Мбит/с.

Поскольку ограничение в 128 Гбайт, установленное 28-разрядными линейны­ми адресами, становилось все более болезненным, в стандарте ATAPI-6 размер LBA-адреса был увеличендо 48 бит. Лимит этого стандарта – 2⁴⁸ х 2⁹ (128 Пбайт). Если емкость дисков будет ежегодно возрастать на 50 %, 48-разрядные LBA-адреса останутся актуальными приблизительно до 2035 года.

Настоящий прорыв был совершен в стандарте ATAPI-7. Вместо расширения разъема диска (и, соответственно, скорости передачи данных) появилась специ­фикация последовательного интерфейса ATA (Serial ATA, SATA), позволившего передавать через 7-контактный разъем информацию на скоростях от 150 Мбит/с (со временем скорость увеличится до 1,5 Гбит/с). Благодаря замене 80-провод-ного плоского кабеля круглым кабелем диаметром в несколько миллиметров улучшилась вентиляция системного блока. Кроме того, при отправке сигналов через интерфейс SATA потребляется всего 0,5 В (в сравнении с 5 В по стандарту ATAPI-6), вследствие чего уменьшается общий уровень энергопотребления. Скорее всего, в течение нескольких лет на стандарт SATA будут переведены все компьютеры.

SCSI -диски. SCSI-диски с точки зрения расположения цилиндров, дорожек и секторов не отличаются от IDE-дисков, но они имеют другой интерфейс и более высокую скорость передачи данных.

Дискеты

С изобретением персонального компьютера появилась необходимость каким-то образом распространять программное обеспечение. Решением проблемы стала дискета, или гибкий диск (floppy disk), – небольшой сменный носитель инфор­мации. Дискеты были придуманы фирмой IBM. Изначально на дискетах запи­сывалась информация по обслуживанию мэйнфреймов (для сотрудников фир­мы-покупателя). Но производители компьютеров вскоре переняли эту идею и стали использовать дискеты в качестве удобного средства записи программного обеспечения и его продажи.

Дискеты обладают теми же общими характеристиками, что и магнитные диски, с тем лишь различием, что головки жестких дис­ков перемещаются над поверхностью диска на воздушной подушке, а у дискет головки касаются поверхности. В результате и сами дискеты, и головки очень быстро изнашиваются. Поэтому, когда не происходит считывания и записи ин­формации, головки убираются с поверхности, а компьютер останавливает вра­щение диска. Это позволяет продлить срок службы дискет. Но при этом, если поступает команда считывания или записи, происходит небольшая задержка (примерно полсекунды) перед тем, как начнет работать мотор. Дискеты остава­лись в употреблении около 20 лет, однако в большинство конфигураций совре­менных компьютеров дисководы для гибких дисков не входят.

 

Диски CD - ROM

Оптические диски, которые изначально использовались для записи телевизион­ных программ, позже стали одними из основных средств хранения информации в компьютерной индустрии. Благодаря большой емкости и низкой цене оптиче­ские диски повсеместно применяются для распространения ПО, книг, фильмов и данных других типов, а также для создания архивных копий жестких дисков.

Первые оптические диски были изобретены голландской корпорацией Philips для хранения кинофильмов. Они имели 30 см в диаметре, выпускались под мар­кой Laser Vision, но нигде, кроме Японии, популярностью не пользовались.

В 1980 году корпорация Philips вместе с Sony разработала компакт-диски (Compact Disc, CD), которые быстро вытеснили виниловые диски, использовав­шиеся для записи музыки. Все компакт-диски в соответствии со стандартом должны быть 120 мм в диаметре и 1,2 мм в толщину, а диаметр отверстия в середине должен составлять 15 мм. Аудио компакт-диски были первым средст­вом хранения цифровой информации, вышедшим на массовый рынок. Предпо­лагается, что они будут использоваться на протяжении ста лет.

Компакт-диск изготавливается с использованием очень мощного инфракрас­ного лазера, который выжигает отверстия диаметром 0,8 микрон в специальном стеклянном мастер-диске. По этому мастер-диску делается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожег отверстия. В шаблон вводится жидкая смола (по­ликарбонат), и, таким образом, получается компакт-диск с тем же набором отверстий, что и в стеклянном диске. На смолу наносится очень тонкий слой алюминия, который, в свою очередь, покрывается защитным лаком. После этого наклеивается этикетка. Углубления в нижнем слое смолы называются лунками (pits), а ровные пространства между лунками – площадками (lands).

Во время воспроизведения лазерный диод небольшой мощности светит ин­фракрасным светом с длиной волны 0,78 микрон на сменяющие друг друга лун­ки и площадки. Лазер находится на той стороне диска, на которую нанесен слой смолы, поэтому лунки для лазера превращаются в выступы на ровной поверхно­сти. Так как лунки имеют высоту в четверть длины световой волны лазера, длина световой волны, отраженной от выступа, составляет половину длины световой волны, отраженной от окружающей выступ ровной поверхности. В результате, если свет отражается от выступа, фотодетектор проигрывателя получает меньше света, чем при отражении от площадки. Именно таким образом проигрыватель отличает лунку от площадки. Хотя, казалось бы, проще всего использовать лун­ку для записи нуля, а площадку для записи единицы, для единицы надежнее ока­залось использовать переход лунка-площадка или площадка-лунка, а отсутствие перехода – для нуля.

Лунки и площадки записываются по спирали. Запись начинается на некото­ром расстоянии от отверстия в центре диска и продвигается к краю, занимая 32 мм диска. Спираль проходит 22 188 оборотов вокруг диска (примерно 600 на 1 мм). Если спираль распрямить, ее длина составит 5,6 км.

Чтобы музыка звучала нормально, лунки и площадки должны сменяться с постоянной линейной скоростью. Следовательно, скорость вращения ком­пакт-диска должна постепенно снижаться по мере продвижения считывающей головки от центра диска к внешнему краю. Когда головка находится на внутрен­ней стороне диска, то, чтобы достичь желаемой скорости 120 см/с, частота вра­щения должна составлять 530 оборотов в минуту. Когда головка находится на внешней стороне диска, частота вращения падает до 200 оборотов в минуту, что позволяет обеспечить такую же линейную скорость. Этим компакт-диск, вра­щающийся с постоянной линейной скоростью, отличается от магнитного диска, вращающегося с постоянной угловой скоростью независимо от того, где в этот момент находится головка. Кроме того, частота вращения компакт-диска (530 оборотов в минуту) совершенно не соответствует частоте вращения магнитных дисков, которая составляет от 3600 до 7200 оборотов в минуту.

В 1984 году Philips и Sony начали использовать компакт-диски для хранения компьютерных данных. Чтобы выйти на развитый к тому времени рынок аудио компакт-дисков, компьютерные компакт-диски должны были быть такого же размера, как аудиодиски, механически и оптически совместимыми с ними и производиться по той же технологии. Вследствие такого решения потребовались двигатели, работающие с низкой скоростью и способные менять скорость. Стоимость производства одного компакт-диска составляла в сред­нем около 1 доллара.

Рисунок – схема записи компакт-диска

 

42 последовательных символа формируют фрейм из 588 бит. Каждый фрейм содержит 192 бита данных (24 байта). Оставшиеся 396 бит используются для исправления ошибок и контроля. У аудио и компьютер­ных компакт-дисков эта система одинакова.

У компьютерных компакт-дисков каждые 98 фреймов группируются в сектор, как показано на рисунке. Каждый сектор начинается с преамбулы из 16 байт, первые 12 из которых образуют значение OOFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFOO (в шестнадцатеричной системе счисления), что дает возможность проигрывателю определять начало сектора. Следующие 3 байта содержат номер сектора. Номер необходим, поскольку поиск на компакт-диске, на котором данные записаны по спирали, го­раздо сложнее, чем на магнитном диске, где данные записаны на концентрических дорожках. Чтобы найти определенный сектор, программное обеспечение подсчитывает, куда приблизительно нужно направляться; туда помещается считываю­щая головка, а затем начинается поиск преамбулы, чтобы установить, насколько верен был подсчет. Последний байт преамбулы определяет тип диска.

Односкоростные устройства для чтения компакт-дисков считывают 75 секто­ров в секунду, что обеспечивает скорость передачи данных 153 600 байт/с. Двухскоростные устройства работают в два раза быстрее и т. д., до самой высокой скорости. Стандартный аудио компакт-диск «вмещает» 74 минуты музыки, что соответствует значению 681 984 000 байт, или 650 Мбайт, так как 1 Мбайт = 2²⁰ байт (1 048 576 байт), а не 1 000 000 байт.

Диски CD - R. Вначале оборудование, необходимое для изготовления мастер-дисков (как аудио, так и компьютерных), было очень дорогим. Но, как это обычно происходит в компьютерной промышленности, ничего не остается дорогим слишком долго. К середине 90-х годов записывающие устройства для компакт-диско