Хранение информационных объектов различных видов на различных цифровых носителях. Определение объемов различных носителей информации

 

Цифровыми запоминающими устройствами называют устройства, предназначенные для записи, хранения и считывания информации, представленной в цифровом коде.

Ниже указаны основные параметры запоминающих устройств (ЗУ).

1. Информационная емкость, определяемая числом ячеек памяти ЗУ и указывающая на максимальный объем хранимой информации. Если ЗУ рассчитано на хранение n чисел, каждое из которых имеет m разрядов, то информационная емкость определяется выражением N = n × m. Емкость ЗУ выражается в байтах и может составлять от десятков до нескольких миллионов бит.

2. Потребляемая мощность — это мощность, используемая ЗУ в установившемся режиме.

3. Время хранения информации — интервал времени, в течение которого ЗУ сохраняет информацию в заданном режиме.

4. Быстродействие — промежуток времени, необходимый для записи или считывания информации.

Запоминающие устройства принято разделять на внутренние и внешние. Классификация ЗУ приведена на рис. 2.34.

Рис. 2.34. Классификация запоминающих устройств

 

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ; от англ. ROM — Read-Only Memory — память только для чтения) используется для постоянного хранения информации, в частности, микросхемы ПЗУ содержат программу, которая инициирует запуск операционной системы, программу самотестирования (POST — Power On Self Test) устройств компьютера при включении питания, базовую систему ввода-вывода (BIOS — Basic Input/Output System), представляющую собой интерфейс между аппаратной частью и операционной системой, данные системной конфигурации (Setup BIOS). Все, что находится в ПЗУ, записано промышленным способом на этапе изготовления и не может быть изменено пользователем.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ; от англ. RAM — Random Access Memory — память произвольного доступа, энергозависимая память) предназначено для записи, считывания и хранения программ, исходных данных, промежуточных и окончательных результатов. Используется для временного хранения информации.

При выключении или перезагрузке компьютера все содержимое оперативной памяти (ОП) исчезает, поэтому рекомендуется периодически сохранять результаты своей деятельности на компьютере (обычно на жестком диске). Объем оперативной памяти является одной из важнейших характеристик компьютера. Типичные размеры ОП — 8–64 Гбайт.

Под памятью произвольного доступа подразумевают ее свойство доступа к информации, которое не зависит от расположения в ней данных.

ОЗУ делятся на динамические (DRAM — Dynamic RAM), использующие конденсатор в качестве базового логического элемента, и статические (SRAM — Static RAM), использующие триггер как элемент памяти.

Динамические ОЗУ. Конденсатор — это элемент, способный накапливать и удерживать электрические заряды. Именно так (наличием или отсутствием зарядов) и кодируются биты. Недостатком данного типа памяти является процесс регенерации (восстановления) заряда, который отнимает время у центрального процессора, соответственно уменьшается и быстродействие.

Проблемы, связанные с памятью этого типа, вызваны тем, что она динамическая, т.е. должна постоянно регенерироваться (восстанавливаться), так как в противном случае электрические заряды в конденсаторах памяти будут «стекать» и данные будут потеряны.

Достоинствами микросхем типа DRAM считается дешевизна их изготовления за счет использования конденсаторов и большая емкость.

Статические ОЗУ. Триггер как элемент управления построен на транзисторах — устройствах, которые служат для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов и, соответственно, не требует регенерации. Плюсом является и высокое быстродействие. Но поскольку транзистор дороже в изготовлении и имеет бóльшие размеры, чем конденсатор, очевидно, что в качестве основы для использования в динамической памяти он использоваться не может.

Несмотря на это память типа SRAM находит применение в персональных компьютерах в качестве кэш-памяти.

Кэш-память или память немедленного доступа интегрирована непосредственно в процессор. Контроллер кэша способен предугадывать, какие данные понадобятся процессору в ближайшее время. Естественно, что считывание информации, которая расположена в высокоскоростном буфере непосредственно на кристалле процессора, происходит гораздо быстрее, чем обращение к микросхемам ОЗУ, расположенным на материнской плате. Следует отметить, что из-за небольшого объема кэш-области (как правило, несколько десятков Мбайт) различают кэш-попадания и кэш-промахи. Понятно, что в случае кэш-попадания процессор быстро получает необходимые ему данные и не находится в состоянии ожидания, а вот в случае кэш-промаха процессор вынужден обращаться к оперативной памяти.

Назначение внешних запоминающих устройств (ВЗУ) — хранение больших объемов информации пользователя, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство.

К ВЗУ относятся накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД, в том числе внешние), накопители на компакт-дисках (CD-ROM), DVD-накопители, Blu-Ray-накопители, флэш-накопители, SSD-накопители. Стоит отметить, что накопители типа CD-ROM, DVD морально устарели и в настоящее время новые компьютеры могут быть не укомплектованы такими приводами. Однако, поскольку парк компьютерной техники в учебных заведениях обновляется не так часто, мы оставили описание такого типа накопителей в настоящем издании.

Жесткие магнитные диски. Представленный впервые компанией IBM в 1956 г. накопитель на жестких магнитных дисках (HDD — Hard Disk Drive) позволяет хранить документы, фотографии, музыку, видео, программы, настройки операционной системы. Винчестер состоит из одной или нескольких пластин несъемного пакета жестких магнитных дисков, причем это устройство находится в едином герметичном корпусе, который называется HDA (Head Disk Assembly) — блок головок и дисков. Емкость винчестеров различна и составляет в среднем 2 Тбайт, хотя компания Seagate уже выпускает жесткие диски объемом более 10 Тбайт.

Информация на дисках записывается концентрическими кольцами — дорожками. В свою очередь каждая дорожка разбита на определенное число секторов по 512 байт. Сектор является минимальным фрагментом, содержащим информацию. Совокупность дорожек, равноотстоящих от центра, на всех рабочих поверхностях пластин жесткого диска называется цилиндром.

Дорожки и сектора формируются в результате процедуры, которая называется форматированием. При форматировании несколько секторов объединяются в кластеры, и для операционной системы минимальным фрагментом является уже кластер. В рабочем состоянии над поверхностями диска движутся считывающие (записывающие) головки. Чтобы головка получила доступ к нужной информации (сектору), ей нужно указать путь в виде номеров (Сторона/Дорожка/Сектор).

Жесткий диск обладает рядом характеристик, которые оказывают влияние прежде всего на скорость чтения (записи) информации.

Скорость вращения диска — чем больше скорость вращения диска, тем больше скорость передачи данных.

Время поиска (время переключения головок) — все магнитные головки диска находятся в каждый момент времени над одним и тем же цилиндром, и время переключения определяется тем, насколько быстро выполняется переключение между головками при чтении или записи.

Задержка позиционирования — после того, как головка оказывается над желаемой дорожкой, она ждет появления требуемого сектора на этой дорожке. Это время называется задержкой позиционирования и также измеряется в миллисекундах.

Время доступа к данным — общее время доступа к информации, которое определяется временем поиска нужной дорожки на диске и временем позиционирования внутри этой дорожки.

Кэш-память жесткого диска — у винчестера есть собственная буферная память, называемая кэш-памятью или просто кэшем. Организация обмена данными с кэшем важна для повышения быстродействия диска.

Важным параметром накопителя является используемая система обмена информацией между диском и материнской платой. Такая система называется интерфейсом жесткого диска.

Внешние (переносные) жесткие диски. Сегодня возможность хранения данных только на обычных жестких дисках ПК уже не удовлетворяет многих пользователей. Они хотят не только хранить любые данные, но и брать их с собой в любое место. Поэтому можно определить следующие цели использования переносных HDD дисков.

1. Резервное копирование. Как и любое электронное устройство, жесткий диск ПК в любой момент может выйти из строя, поэтому периодическое копирование информации является хорошим стилем работы пользователя.

2. Дополнительное устройство хранения. Несмотря на значительные объемы современных стационарных жестких дисков с течением времени происходит заполнение его архивами электронной почты, цифровыми фотографиями, музыкой, фильмами и т.д. Поэтому очевидно, что наличие дополнительного источника хранения информации очень уместно.

3. Основное устройство хранения. Важным преимуществом является безопасность и конфиденциальность ваших данных.

Внешний накопитель с записанными на него данными совершенно не обязательно хранить рядом с ноутбуком. Именно поэтому жесткий диск вместе с важной информацией останется в целости и сохранности не только при форс-мажорных ситуациях, но и в случае утери или кражи, например, ноутбука.

Внешний HDD-накопитель представляет собой обычный жесткий диск и напоминает обычный бумажный органайзер. Толщина корпуса не превышает 15 мм, у него есть специальное углубление для интерфейсного USB-кабеля. Винчестер совершенно не нуждается в дополнительном питании и работает в операционных системах Windows от XP до 10, а также Linux и MAC OS X.

Внешние USB-винчестеры стали популярны с 2000 г., благодаря началу эры мобильных устройств. Портативные жесткие диски различаются прежде всего объемом и скоростью работы. Практически внешние HDD-накопители имеют точно такие же объемы, что и обычные, так что сейчас можно купить внешний HDD объемом до 8 Тбайт и выше.

Что касается скорости работы внешних дисков, то она у них чуть ниже, чем у обычного внутреннего винчестера, потому что соединение через USB не может гарантировать такую же скорость, как у внутренних дисков.

Флэш-накопители. Флэш-память — особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти, созданный на основе интерфейса USB. Ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов — типичная ячейка флэш-памяти состоит из одного транзистора особой архитектуры. Ячейка флэш-памяти прекрасно масштабируется, что достигается благодаря не только успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и конструктивным находкам, позволяющим в одной ячейке флэш-памяти хранить несколько бит информации.

На флэш-памяти основываются карты памяти (Compact Flash, Secure Digital, Sony Memory Stick, MultiMedia Card), которые применяются в портативной технике (цифровые камеры, фотоаппараты, сотовые телефоны, навигаторы). Объем флэш-памяти обычного USB-брелока варьируется в среднем от 8 до 256 Гбайт.

Преимущества флэш-памяти:

•     является энергонезависимым устройством;

•     многократная перезапись данных;

•     устойчивость к механическим воздействиям;

•     компактность;

•     информация может храниться очень длительное время (порядка 10, а по некоторым данным и до 100 лет).

Недостатки флэш-памяти:

•     стоит дороже, чем компакт-диски и винчестеры;

•     работает существенно медленнее, чем оперативная память на основе микросхем SRAM и DRAM или жесткий диск;

•     имеет ограничение по количеству циклов перезаписи. Предел колеблется от 10 000 до 1 000 000 циклов для разных типов микросхем. Хотя миллион операций записи (стирания) — это совсем немало, наличие физического предела использования микросхемы памяти можно считать серьезным недостатком flash-устройств.

SSD-накопители. Выполняя идентичные жесткому диску функции, SSD-накопители (от англ. Solid-state drive) или твердотельные накопители имеют следующие преимущества:

•     отсутствие механических деталей, что обеспечивает высокую скорость чтения и записи данных, бесшумность работы и невысокое энергопотребление;

•     использование в накопителях flash-памяти, что делает подобные устройства энергонезависимыми и надежными;

•     малогабаритные размеры и небольшой вес, что позволяет применять ее в нетбуках и ноутбуках.

Твердотельные накопители могут производиться по нескольким технологиям, в частности по технологии SLC (Single Level Cel — одноуровневая ячейка памяти), при использовании которой предусмотрено хранение одного бита в одной ячейке памяти. Однако несмотря на долговечность, высокую скорость, повышенную защиту от возможных ошибок, при использовании подобной технологии требуется большая площадь для размещения ячеек памяти на микросхеме.

В противовес технологии SLC при производстве твердотельных накопителей может применяться технология MLC (Multi Level Cell — многоуровневая ячейка памяти), которая заключается в том, что появляется возможность хранения в одной ячейке памяти больше одного бита. Тем не менее, несмотря на повышенную плотность записи, применение такой технологии снижает долговечность изделия, вырастает энергопотребление, уменьшается количество циклов перезаписи информации.

Подчеркнем, что использование технологий производства SSD-накопителей позволило компаниям (в частности, Apple, Sumsung), занимающимся производством компьютеров, не комплектовать свои устройства жесткими дисками, а использовать твердотельные накопители. Средний объем SSD-накопителей колеблется от 256 Гбайт до 4 Тбайт, что позволяет использовать данную высокопроизводительную память в современных электронных устройствах.

Оптические накопители CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory — память только для чтения на компакт-диске). Они используются в качестве устройств внешней памяти и созданы с применением оптических технологий. Первоначально (1979 г.) компакт-диски создавались для записи музыки, однако с 1984 г. компании Sony и Philips предложили технологию записи информации, которая позволила использовать компакт-диски для хранения информации в персональных компьютерах.

Компакт-диск представляет собой основу (подложку), выполненную из поликарбоната, на которую наносится фоторезисторный слой. При изготовлении подложки на ее поверхности формируется информационный рисунок, состоящий из впадин и промежутков между ними — площадок. На подложку напыляется тонкий слой алюминия. Поверх отражающего слоя наносится слой лака, защищающий диск от повреждений. Как правило, на защитный лак наносится текст этикетки.

Для чтения информации с компакт-диска используется луч лазера инфракрасного диапазона. Луч подается на вращающийся диск со стороны подложки, отражается от отражающего слоя и возвращается на специальный фоторецептор. При попадании луча на площадку он отражается обратно, а при попадании во впадину — нет.

Соответственно, переходы между впадиной и площадкой считываются как единица, а отсутствие переходов — как нуль. В результате на выходе фоторецептора формируются двоичные сигналы, повторяющие по форме информационный рисунок, которые превращаются в данные.

Диаметр поликарбонатной подложки — 120 мм, центрального отверстия — 15 мм, ее толщина — 1,2 мм. Объем стандартного диска не превышает 700 Мб. Скорость передачи данных накопителя CD-ROM указывается кратной 153,6 Кбайт/с. Маркировка 2×, 4×, 6×, 8×, 12×, 16×, 24× … 52× показывает, во сколько раз быстрее устройство записывает данные по сравнению с односкоростным

эталоном. Например, 52-скоростной привод обеспечивает максимальную скорость чтения (или записи) CD 52 × 150  7800 Кб/с (7,08 Мб/с).

Основной недостаток стандартных CD-ROM — невозможность записи данных. Но начиная с 1991 г. появились устройства однократной записи CD-R (Recordable), а с 1996 г. — многоразовой записи CD-RW (Rewritable).

В перезаписываемых дисках используется промежуточный слой из органической пленки, изменяющей под воздействием луча свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое и обратно.

Когда это вещество находится в аморфном состоянии, оно плохо отражает свет лазера. При переходе в кристаллическое состояние отражающая способность вещества резко возрастает. В результате меняется прозрачность слоя (в устройствах CD-R изменение возможно лишь один раз) и происходит фиксация изменений состояния материала регистрирующего слоя.

В накопителе CD-RW используются три режима работы лазера, отличающиеся мощностью луча: режим записи (максимальная мощность, обеспечивающая переход активного слоя в неотражающее аморфное состояние), режим стирания (возвращает активный слой в отражающее кристаллическое состояние) и режим

чтения (самая низкая мощность, не влияющая на состояние активного слоя). Маркировка CD-рекордеров содержит три цифры: первая — скорость записи CD-R-дисков, вторая — скорость перезаписи (CD-RW диски), третья — скорость чтения.

Обозначение 54×/24×/52× в паспортных данных накопителя означает скорости записи/перезаписи/чтения соответственно.

Диски могут выдерживать от тысяч до десятков тысяч циклов перезаписи, однако на сегодняшний день устройства однократной и многоразовой записи на CD морально устарели и в современных компьютерах не используются.

Оптические накопители DVD. Недостаточная емкость (650 или 700 Мбайт) компакт-дисков заставила производителей задуматься о новом формате оптических дисков. В 1995 г. был создан стандарт дисков CD-ROM большой емкости, первоначально получивший название DVD (Digital Video Disk — цифровой универсальный диск), предназначенный для записи видеофильмов. Позже DVD-диски стали использовать для записи информации, пригодной для использования в персональных компьютерах, его стали называть Digital Versatile Disk — цифровой универсальный диск.

В отличие от CD-дисков, которые могли быть только односторонними и однослойными, DVD могут быть также двухслойными и двусторонними. Таким образом, существует четыре варианта DVD-дисков: DVD-5 (односторонний однослойный, емкостью 4,7 Гбайт), DVD-9 (односторонний двухслойный, емкостью 8,5 Гбайт), DVD-10 (двусторонний однослойный, емкостью 9,4 Гбайт) и DVD-18 (двусторонний двухслойный, емкостью 17 Гбайт).

Диски DVD имеют тот же диаметр (120 мм), что и компакт-диски. Возможность изготовления двухслойных дисков (отражающий материал первого слоя является полупрозрачным, так что можно фокусировать лазер на лежащем над ним втором отражающем слое) позволила поднять емкость еще почти в 2 раза. Двусторонний диск представляет собой два односторонних диска, склеенных друг с другом тыльными слоями (общая толщина диска при этом остается равной 1,2 мм). Кроме того, благодаря применению вместо лазера с длиной волны 780 нм лазера с длиной волны 635 или 650 нм удалось сократить минимальную длину впадин и площадок с 0,83 до 0,4 мк, а расстояние между дорожками — с 1,6 до 0,74 мк, что дало общий выигрыш в емкости в 4,5 раза. При использовании обеих сторон общий объем достигает 17,0 Гбайт, т.е. равен суммарному объему 26 обычных компакт-дисков.

Скорость передачи данных накопителя DVD-ROM указывается кратной 1,385 Mбайт/с. Обозначение 32×/40× в паспортных данных накопителя означает скорости чтения DVD и CD соответственно. Дальнейшим шагом в развитии DVD-накопителей стало появление стандартов для перезаписываемых дисков DVD: DVD-R, DVD-RW, DVD-RAM, DVD+R, DVD+RW. DVD-стандарты не предусматривают изготовление двухслойных записываемых DVD-дисков. Емкость носителя составляет 4,7 Гбайт.

Стоит отметить, что появление на рынке носителей DVD-R/RW/RAM привело к возникновению проблемы их совместимости с DVD-накопителями и DVD-проигрывателями, которая еще больше обострилась после появления дисков DVD+R и DVD+RW.

На сегодняшний день стандарт DVD+RW является самым перспективным для записи DVD-данных. В частности, важным преимуществом формата DVD+RW/+R является его совместимость с подавляющим большинством обычных накопителей DVD-ROM и бытовых DVD-плееров.

Blu-Ray-накопители. В 2002 г. компании Hitachi, LG, Panasonic, Pioneer, Philips, Samsung, Sharp, Sony и Thomson анонсировали цифровые видео-диски нового поколения. За основу технологической разработки был принят новый стандарт, предусматривающий считывание информации с помощью сине-фиолетового лазера, а спецификация получила название Blu-Ray.

В технологии Blu-Ray используется лазер с длиной волны 405 нм. Такое уменьшение позволило сузить дорожку в 2 раза (у обычного DVD-диска до 0,32 мк) и увеличить плотность записи данных.

Однослойный диск Blu-Ray может хранить 23,3/25/27/33 Гбайт, двухслойный диск может вместить 46,6/50/54/66 Гбайт. Скорость передачи данных 12×-скоростного накопителя Blu-Ray составляет 54 Mбайт/с. Диски Blu-Ray широко используются для записи фильмов высокой четкости, в игровых приставках, накопителями

Blu-Ray оснащаются современные стационарные компьютеры и ноутбуки.

Попробуем сравнить объем и вид информации относительно типов носителей, на которые эту информацию можно записать.

Винчестер емкостью 320 Гбайт. Предположим, фильм на DVD-диске длится 84 мин и занимает объем 7,74 Гбайт. Сколько фильмов можно записать на винчестер с указанным объемом? Ответ — около 45 фильмов.

Флэш-накопитель емкостью 16 Гбайт. Предположим, имеется аудио книга объемом 131,7 Мбайт и длительностью записи 8 ч 15 мин. Сколько аудио книг можно записать на флэш-накопитель с указанным объемом? Ответ — приблизительно 124 книги.

Сколько музыкальных файлов можно записать на флэш-накопитель с указанным объемом? Стандартный битрейт (скорость передачи информации) составляет 128 Кбит/с. Одна минута музыки занимает примерно 1 Мбайт памяти. Если в среднем одна песня играет четыре минуты, то на флэш-накопитель с 16 Гбайт памяти уместится порядка 4096 песен.

Предположим, имеется одна фотография хорошего качества объемом 4 Мбайт. Сколько фотографий можно записать на флэш-накопитель с указанным объемом? Ответ — приблизительно 4000 фотографий.

CD-диск емкостью 700 Мбайт. На CD-диск можно записать: один фильм в формате.avi в относительно хорошем качестве, около 150 музыкальных файлов в формате.mp3, около 150 фотографий хорошего качества, множество документов и программ небольшого размера.

Чтобы узнать, сколько свободного места осталось на диске, частности на флэш-носителе, щелкнем правой кнопкой мыши по изображению съемного диска, обычно он подписан как «Съемный диск», выберем в открывшемся меню пункт Свойства (рис. 2.35). На диаграмме занятое пространство занимает бóльшую площадь, чем свободное. Информация об общем объеме диска находится выше.

Рис. 2.35. Окно свойств съемного накопителя

 

Таким образом, можно узнать остаток свободного места не только на флэш-носителе, но и на любом съемном или логическом диске. Следует отметить, что различают форматированную и неформатированную емкость диска. Из рис. 2.36 видно, что объем диска C равен 455 Гбайт, свободное пространство компьютер примерно определил в 419 Гбайт.

Рис. 2.36. Отображение объема диска С в папке Компьютер

На самом деле объем данного жесткого диска составляет 500 Гбайт. Возникает вопрос: куда исчезли почти 45 Гбайт дискового пространства? Ответ прост: при форматировании диска в начало и в конец каждого сектора заносится служебная информация, так называемые префикс (начало сектора) и суффикс (конец сектора), в которых имеются информация о начале и конце сектора, а также контрольная сумма для проверки целостности данных. Следовательно, объем данного неформатированного винчестера составляет 500 Гбайт (что и указывают производители, а затем и продавцы компьютеров), а отформатированная емкость — 455 Гбайт. Именно поэтому объем любого отформатированного носителя будет меньше исходного.

 

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1.    Какие устройства называют запоминающими? Перечислите основные

параметры запоминающих устройств.

2.    Поясните различие между постоянным и оперативным запоминающими устройствами.

3.    Охарактеризуйте динамические и статические оперативные запоминающие устройства.

4.    Опишите назначении кэш-памяти.

5.    Каково назначение внешних запоминающих устройств?

6.    Как хранится информация на жестких магнитных дисках? Перечислите и поясните основные характеристики жесткого диска.

7.    Назовите основные цели использования переносных жестких дисков.

8.    Что представляет собой флэш-память? Каковы ее достоинства и недостатки?

9.    Каким образом происходит запись информации на оптические накопители? Назовите физические размеры обычного оптического диска.

10. За счет каких технологических особенностей становится возможной многократная перезапись оптического диска?

11. Проведите подробный анализ дисков DVD: принципы записи, емкость, стандарты и т.д.

12. Расскажите о спецификации дисков Blu-Ray.

13. Предположим, вы имеете внешний жесткий диск объемом 3 Тбайт. Сколько дисков формата Blu-Ray он может заменить, если объем одного диска равен 25 Гбайт?

14. Предположим, вы имеете портативный медиаплеер со встроенной памятью 4 Гбайт. Определите, сколько композиций он способен вместить, если размер одной записи в формате.mp3 занимает 3,1, 6,3, 9,6 Мбайт?

 

АРХИВ ИНФОРМАЦИИ

 

Безусловно, архивирование данных не играет той роли, которую оно выполняло в то время, когда основным средством передачи информации между компьютерами была дискета объемом 1,44 Мбайт.

Рассмотренные выше устройства внешней памяти обладают значительными объемами, выраженными в Гбайт и Тбайт, поэтому созданную самим пользователем информацию (документы, фотографии, музыкальные треки), можно регулярно дублировать, например, на внешний жесткий диск или на флэш-носитель.

Устройства внешней памяти можно использовать и для резервного хранения данных, когда пользователь решает освободить часть дискового пространства от редко употребляемой информации.

При работе с компьютером можно столкнуться с такими проблемами, как повреждение данных при вирусном заражении операционной системы, невозможность загрузки при повреждении системных файлов в случае ошибочных действий, прекращение нормальной работы ранее установленного принтера, модема и т.д.

Предвидя такие ситуации, следует заранее научиться пользоваться программами восстановления операционной системы.

Основная задача подобных программ — регистрация и сохранение определенного состояния системы. Они должны сохранять файловую структуру, записи в реестре и файлы, которые в будущем, вероятно, будут изменены. Многие разработчики, например компания Symantec (www.symantec.com), разрабатывают программы, обладающие функциями полного резервного копирования системы и файлов на основе образа диска, создания резервных копий по расписанию и на основании событий, восстанавливают систему и все содержимое компьютера после сбоя и т.д.

При желании можно воспользоваться встроенными средствами восстановления, которые есть в операционной системе Windows.

Например, утилита Восстановление системы (System Restore) автоматически отслеживает все происходящие на компьютере изменения и создает точки восстановления.

Эти точки также создаются перед обновлением операционной системы путем установки новых драйверов, которые не были сертифицированы и подписаны организацией Windows Hardware Quality Labs (WHQL), и новых программ с использованием средств установки InstallShield и ей подобных.

Недостатком утилиты является невозможность заменить собой деинсталлятор программ. Например, если после установки какого-либо приложения пользователь выполняет откат (т.е. восстановление) системы к предыдущему состоянию, то файлы программ останутся нетронутыми.

Еще одна утилита, встроенная в операционную систему, называется Архивация или восстановление файлов (Backup; от англ. backup — дублирование). Мастер архивации и восстановления Windows облегчает создание резервной копии данных.

При использовании данной утилиты следует помнить, что создание объемных архивов может затянуться на долгое время.

Под архивированием информации понимают сжатие файлов с помощью специальных утилит — архиваторов (упаковщиков). Сжатие может быть обратимым и необратимым. При обратимом сжатии смысл выходного блока в точности соответствует смыслу входного, т.е. сжатый блок всегда может быть однозначно развернут в исходный. Именно по этому принципу работают все современные архиваторы.

При необратимом сжатии происходит частичная утеря смысла информационного блока, вследствие чего при развертывании возникает некоторая неоднозначность, т.е. восстановленный блок не полностью соответствует исходному. Возникает вопрос: зачем же нужен такой метод сжатия?

Рассмотрим пример. На обычный компакт-диск музыкальные треки в формате WAV (цифровое кодирование звуковой информации без потерь) помещаются в количестве 15–20, в то время как композиций в формате.mp3 можно записать более 150. Достигается это именно за счет необратимого сжатия. Как было описано выше, при переводе аналогового (в данном случае звукового) сигнала в цифровую форму он подвергается дискретизации, т.е. делается выборка величин его уровней с определенной частотой. Человеческое ухо не замечает искажений звукового сигнала, если их величина не превышает определенного порога. Таким образом, произведя необратимое сжатие исходной выборки, а затем воспроизводя восстановленную выборку, мы не заметим разницы в звучании композиции, если уровень потери информации не превысил некоторого допустимого значения.

Аналогично для изображений: глаз не замечает искажений цвета и яркости, меньших некоторой пороговой величины, а следовательно, допустимо потерять часть информации в выборке цвет ++ яркость. На этом принципе построен формат JPEG (файлы *.jpg).

Архив данных следует создавать в основном тогда, когда решается вопрос о передаче некоторого объема информации по электронной почте. В настоящее время далеко не все пользователи интернета в нашей стране имеют выделенную линию или безлимитный трафик, поэтому для тех, кто вынужден считать каждый мегабайт, предварительное архивирование информации перед отправкой по е-mail — выход из ситуации.

Архиватором называется программа, позволяющая за счет специальных алгоритмов сжатия информации создавать копии файлов меньшего размера, объединять копии нескольких файлов в один архив, из которого при необходимости можно извлечь первоначальную информацию.

Одной из главных характеристик архиваторов является степень сжатия информации (ССИ), которую можно определить по формуле

ССИ = (Размер архива / Размер файлов в архиве) × 100%.

Еще одна характеристика — скорость сжатия, под которой понимается время, затрачиваемое на сжатие некоторого объема исходной информации до получения из него результирующих данных.

Ниже приведены примеры алгоритмов архивирования.

1. Сжатие способом кодирования серий (RLE — Run Length Encoding — кодирование длин серий). Один из самых простых алгоритмов отслеживает последовательности одинаковых байтов и заменяет их парой чисел, включающих длину серии и значение байта. Например, вместо последовательности аааабббббссссссдддд кодирование по алгоритму приведет к последовательности 4а5б6с4д. Таким образом, в исходном коде 19 символов, а в результирующем — 8.

Алгоритм эффективен для кодирования графических файлов, так как последовательности одинаковых символов в них встречаются часто. Например, если в файле содержится изображение неба, то подряд может идти несколько сотен одинаковых байтов с кодом синего цвета. Реально алгоритм RLE применяется в графических файлах растрового формата PCX, а также как аппаратный протокол сжатия в некоторых типах модемов.

2. Алгоритм Хаффмана. Этот алгоритм также ищет повторяющиеся данные, но для кодирования использует коды переменной длины. На первом шаге определяется число повторений (веса) всех символов. На втором шаге строится дерево кодирования. Затем ищутся два самых редких символа, они исключаются из массива и добавляются в дерево (листья). Также создается новый узел дерева с весом, равным сумме весов найденных символов, содержащий ссылки на эти символы. Этот узел добавляется в массив.

Процедура повторяется, пока в массиве не останется один элемент.

Третий шаг — собственно кодирование. Предположим, длина файла составляет 60 байт. В файле есть повторения пяти различных символов. Подсчитаем количество вхождений каждого символа. Занесем полученные данные в табл. 2.19.

Таблица 2.19

Количество вхождений символов

С точки зрения частоты повторения символов построим табл. 2.20.

Таблица 2.20

Частота повторений символов

из табл. 2.20 символ с наименьшей частотой. В нашем случае это символ «в» (он повторяется 5 раз) и любой из символов — «а» или «д» (их повторение составляет 10 раз), например символ «а».

Сформируем из листков дерева «в» и «а» новый узел, частота вхождения для которого будет равна сумме частот символов «в» и «а», т.е. 15 (табл. 2.21).

 

Таблица 2.21

Формирование нового узла

Теперь снова найдем два символа с самыми низкими частотами повторения. Исключив из просмотра символы «в» и «а», находим «листок» с самой низкой частотой — «д». Соединим их между собой. Полученный результат представлен в табл. 2.22.

Таблица 2.22

Формирование следующего узла

Рассматриваем таблицу снова для следующих двух символов — «г» и «б». Соединим найденные узлы и получим корень дерева (табл. 2.23).

Таблица 2.23

Получение корня дерева

 

Теперь, начиная с корня дерева, будем кодировать файл. Кодируя первый символ (лист дерева «г»), проследим вверх по дереву все повороты ветвей, и если мы делаем левый поворот, то запоминаем его как 0, аналогично для правого поворота — 1. Так, для символа «г» мы будем идти налево к 35 (и запомним 0), затем снова налево (0) к самому символу. Код Хаффмана для символа «г» — 00.

Для символа «б» у нас получается — налево, направо, следовательно, последовательность 01. Работая по такому алгоритму, для всех символов получим кодировку, представленную в табл. 2.24.

 

Таблица 2.24

Таблица кодировки

При кодировании заменяем символы на полученные последовательности битов. Просуммируем все биты, получим 135 бит. На помним, что исходная длина файла была равна 60 байт, или 480 бит.

Следовательно, объем исходного файла уменьшился на 28%. Достоинством алгоритма Хаффмана является хорошая степень сжатия при достаточно высокой скорости работы. Его недостаток — необходимость двойного просмотра входного потока: первый раз с целью получения частот символов и построения дерева кодов, второй раз, собственно, для проведения процесса сжатия. От этого недостатка можно избавиться путем построения заранее единого дерева и применения его к любому входному потоку. При этом для построения дерева можно использовать давно подсчитанные филологами средние значения частот букв в текстах, изложенных на русском языке. Например, частота буквы «А» больше частоты «У», а частота «Ц» меньше частоты «К». Однако для графических, звуковых и бинарных файлов такой метод, очевидно, не будет эффективным и скорее всего приведет к ухудшению качества сжатия.

Практически алгоритм Хаффмана применяется в архиваторе PKPAK, используется как аппаратный протокол сжатия данных в факсах, а также может применяться как составная часть других алгоритмов сжатия. Кроме того, кодирование Хаффмана используется в файлах PNG и JPEG.

3. Алгоритм Лемпеля — Зива (LZ-compression).

Алгоритм кодирования следующий:

1) просмотреть поток информации.

2) если в нем имеется повторяющаяся последовательность байт, определить ее длину и смещение.