Работы, основные характеристики

Системы памяти современных ЭВМ представляют собой совокупность аппаратных средств, предназначенных для хранения используемой в ЭВМ информации. К этой информации относятся: обрабатываемые данные, прикладные программы, системное программное обеспечение, а также служебная информация различного назначения. К системе памяти можно отнести и программные средства, организующие управление ее работой в целом, а также драйверы различных видов запоминающих устройств.

Ключевым принципом построения памяти ЭВМ является ее иерархическая организация (принцип, сформулированный еще Джоном фон Нейманом), которая предполагает использование в системе памяти компьютера запоминающих устройств (ЗУ) с различными характеристиками. Причем с развитием технологий, появлением новых видов ЗУ и совершенствованием структурной организации ЭВМ количество уровней в иерархии памяти ЭВМ не только не уменьшается, но даже увеличивается.

Запоминающие устройства характеризуются рядом параметров, определяющих возможные области применения различных типов таких устройств. К основным параметрам, по которым производится наиболее общая оценка ЗУ, относятся их информационная емкость, время обращения и стоимость.

Под информационной емкостью ЗУ понимают количество информации, измеряемое в байтах, килобайтах, мегабайтах или гигабайтах, которое может храниться в запоминающем устройстве.

Внутренние запоминающие устройства делятся на оперативные и постоянные.

Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Существует множество различных типов оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Недостатком этого типа являются, во-первых, то, что как при заряде, так и при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно. Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве, причем весьма быстро. Если оперативную память постоянно не «подзаряжать», утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы – триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы же статической памяти используют в качестве вспомогательной (так называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. Одна адресуемая ячейка содержит восемь двоичных ячеек, в которых можно сохранить 8 бит, то есть один байт данных. Таким образом, адрес любой ячейки памяти можно выразить четырьмя байтами.

Объем современных ОЗУ варьируется в пределах от 512 Мбайт до 4 Гбайт и более.

Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Если к разъемам есть удобный доступ, то операцию можно выполнять своими руками. Если же удобного доступа нет, то может потребоваться неполная разборка узлов системного блока, и в таких случаях операцию поручают специалистам.

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ или Read Only Memory - ROM), которые также часто называют энергонезависимыми, обеспечивают сохранение записанной в них информации и при отсутствии напряжения питания.

Флэш-память, появившаяся в конце 1980-х годов, является представителем класса перепрограммируемых постоянных ЗУ, однако в ней осуществляется стирание сразу целой области ячеек: блока или всей микросхемы. Это обеспечивает более быструю запись информации или, как иначе называют данную процедуру, программирование ЗУ. Для упрощения этой процедуры в микросхему включаются специальные блоки, делающие запись «прозрачной» (подобной записи в обычное ЗУ) для аппаратного и программного окружения.

Флэш-память строится на однотранзисторных элементах памяти (с «плавающим» затвором), что обеспечивает плотность хранения информации даже несколько выше, чем в динамической оперативной памяти. Существуют различные технологии построения базовых элементов флэш-памяти, разработанные ее основными производителями. Эти технологии отличаются количеством слоев, методами стирания и записи данных, а также структурной организацией, что отражается в их названии.

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), или в англоязычном варианте Hard disk drives (HDD), являются одним из самых распространенных в настоящее время типов запоминающих устройств. Это объясняется удачным сочетанием их основных параметров: емкости, стоимости, времени обращения, габаритов и потребляемой мощности.

Запись информации на магнитных носителях (не только на жестких дисках) обычно осуществляется за счет изменения состояния намагниченности отдельных участков их поверхности. Чем меньше геометрические размеры таких участков, тем большее количество информации удается записать на единице площади носителя, т.е. выше плотность записи информации.

Жесткие диски включают в себя электромеханическую и электронную части. Электромеханическая часть размещается в жестком корпусе, внутри которого закреплен шпиндельный двигатель с вращающимся шпинделем и смонтированными на нем дисками накопителя, а также подвижный блок головок чтения/записи с приводом, обеспечивающим позиционирование (перемещение) головок. Общий вид жесткого диска со снятой крышкой корпуса показан на рисунке 4.

Сами диски (или пластины), которых, как правило, бывает на шпинделе от одного до пяти (иначе корпус получится очень высоким, а шпиндель с дисками – тяжелым), изготовлены из сплавов алюминия или специального стекла (иногда – керамики). Поверхность дисков имеет магнитное покрытие, на котором, собственно, и записывается информация. Процесс записи состоит в локальных изменениях магнитного состояния этого покрытия.

Информация на диске располагается по окружностям, называемым дорожками; совокупность равноудаленных от центра дорожек поверхностей всех пластин НЖМД называют цилиндром.

Дорожки для хранения информации разбиты на секторы, емкость которых в большинстве случаев составляет 512 байт. Сектор обладает определенной структурой, включающей в себя заголовок, поле данных и контрольный код этого поля.

 

 

Рис. 4. Общий вид жесткого диска со снятой крышкой корпуса

 

Часть корпуса, в которую заключена электромеханика диска, часто называют герметичной, поскольку в ней не допускается присутствия каких-либо загрязнений, в том числе частичек пыли. Необходимость этого вызвана тем, что головки чтения/записи находятся на очень малом расстоянии от поверхности диска (порядка 10^-4 – 10^{-5 мм), удерживаясь над ней воздушным потоком (нетрудно подсчитать, что линейная скорость перемещения диска относительно головок на внешних цилиндрах составляет более 100 км/час при скорости вращения 7200 об/мин). Поэтому даже небольшие частицы могут легко повредить магнитное покрытие. Для частиц, которые образуются в процессе эксплуатации за счет износа поверхностей, внутри корпуса существует даже некое подобие пылесоса: рециркуляционный фильтр.}

В электронную часть диска входят: контроллер, усилители сигналов интерфейсных шин и буферная память (кэш диска). Контроллер обеспечивает управление процессами разгона и останова шпинделя, позиционирования головок, чтения и записи информации, а также внешний интерфейс диска.

Привод позиционирования головок чтения/записи чаще всего поворотный (для получения его меньших размеров) электромагнитный, с подвижной катушкой, перемещающейся в магнитном поле постоянного магнита под действием протекающего по ней тока. Направление и сила тока определяют направление и скорость перемещения катушки и механически связанных с ней головок чтения/записи.

После установки на требуемый цилиндр головки удерживаются на нем с помощью следящей системы, считывающей с диска специальные сервометки. Эти метки записаны на диске либо в специальных местах информационных дорожек, либо на служебных серводорожках, расположенных между основными, либо, что встречается реже – на специально выделенной поверхности диска. Понятно, что требования обеспечения работы системы позиционирования и приводят к тому, что поперечная плотность записи данных существенно меньше продольной. Сервометки также используются для поддержания постоянной скорости вращения диска.

Время позиционирования на требуемую дорожку зависит, как отмечалось, от расстояния до нее, если брать за начало текущее положение головок чтения/записи. Минимальное время затрачивается на переход к соседнему цилиндру. Но и переход с дорожки на дорожку в пределах одного цилиндра по времени близок к переходу на дорожку соседнего цилиндра (порядка 1 – 2 мс), так как система позиционирования даже при переключении дорожек в пределах цилиндра все равно должна выверить точность установки головок.

Удержание головок на требуемой дорожке при чтении или записи является весьма непростой инженерной задачей. Влияние вибрации вращающегося диска, температурные расширения, механические напряжения, воздушный поток – все эти и другие факторы учитываются с помощью специальных приемов и алгоритмов.

Запись и считывание информации с магнитного слоя (на основе оксидов железа или хрома), покрывающего пластину диска, осуществляется с помощью головок чтения/записи, которые в современных дисках обычно комбинированные: для записи используется электромагнитные, а для чтения – магнитно-резистивные головки.

Для оперативного переноса небольших объемов информации используют так называемые гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляют в специальный накопитель – дисковод. Приемное отверстие накопителя находится на лицевой панели системного блока. Правильное направление подачи гибкого диска отмечено стрелкой на его пластиковом кожухе.

Основными параметрами гибких дисков являются: технологи-ческий размер (измеряется в дюймах), плотность записи (измеряется в кратных единицах) и полная емкость.

Первый компьютер IBM PC (родоначальник платформы) был выпущен в 1981 году. К нему можно было подключить внешний накопитель, использующий односторонние гибкие диски диаметром 5,25 дюйма. Емкость диска составляла 160 Кбайт. В следующем году появились аналогичные двусторонние диски емкостью 320 Кбайт. Начиная с 1984 года выпускались гибкие диски 5,25 дюйма высокой плотности (1,2 Мбайт). В наши дни диски размером 5,25 дюйма не используются, и соответствующие дисководы в базовой конфигурации персональных компьютеров после 1994 года не поставляются.

Гибкие диски размером 3,5 дюйма выпускают с 1980 года. Односторонний диск обычной плотности имеет емкость 180 Кбайт, двусторонний – 360 Кбайт, а двусторонний двойной плотности – 720 Кбайт. Стандартными ныне считают диски размером 3,5 дюйма высокой плотности. Они имеют емкость 1440 Кбайт (1,4 Мбайт) и маркируются буквами HD (high density – высокая плотность).

С нижней стороны гибкий диск имеет центральную втулку, которая захватывается шпинделем дисковода и приводится во вращение. Магнитная поверхность прикрыта сдвигающейся шторкой для защиты от влаги, грязи и пыли. Если на гибком диске записаны ценные данные, его можно защитить от стирания и перезаписи, сместив защитную задвижку так, чтобы образовалось открытое отверстие. Для разрешения записи задвижку перемещают в обратную сторону и перекрывают отверстие. В некоторых случаях, для безусловной защиты информации на диске, задвижку выламывают физически, но и в этом случае разрешить запись на диск можно, если, например, заклеить образовавшееся отверстие тонкой полоской липкой ленты.

Накопители на оптических дисках являются относительно «молодым» видом запоминающих устройств, разработанным в восьмидесятых годах прошлого столетия. Как и некоторые другие технологические новинки, оптические диски были заимствованы вычислительной техникой из другой области, а конкретно – из цифровой звукозаписи. Однако им удалось довольно быстро занять прочное место в общей иерархии памяти ЭВМ в качестве устройств, используемых для долговременного хранения больших объемов информации.

В отличие от жестких дисков, в которых привод и носитель входят в состав одного устройства, оптические диски являются съемными и самостоятельными компонентами, а привод представляет собой отдельное устройство.

Оптические диски изготавливаются из пластмассы, на поверхность которой наносится отражающий слой. Для записи информации используется различие интенсивности (или фазы) отраженного света, соответствующего нулю и единице данных и возникающее либо за счет углублений (ямок, pits), формируемых в отражающем слое, либо за счет изменения коэффициента отражения света от этого слоя.

В отличие от жесткого диска на большинстве оптических дисков информация размещается не на множестве концентрических дорожек (цилиндров), расположенных с обеих сторон магнитного диска, а на одной спиральной дорожке, расположенной (обычно) с одной стороны оптического диска и начинающейся с его центральной части. Ширина ямок на дорожке 0,5 мкм, шаг спирали – 1,6 мкм, что дает более 22 тысяч витков спирали на диске диаметром 120 мм.

Информация считывается при освещении диска лазерным лучом с длиной волны порядка 0,6 – 0,8 мкм. Ровные поверхности (как ямки, так и их отсутствие) соответствуют нулевым битам, перепады высот (края ямок) – единичным битам (это соответствует методу записи «без возврата к нулю» на магнитных поверхностях). Протяженность ровной поверхности определяет количество идущих подряд нулей. Минимальная длина ямки (две «1» подряд) составляет порядка 1 мкм. Нетрудно подсчитать, что плотность записи информации в этом случае для обычных оптических дисков составляет порядка 0,5 Гбит/кв. дюйм, т.е. является примерно в 100 раз меньшей, чем у жестких магнитных дисков. Так же, как и для жестких дисков, плотность записи зависит от возможности точного позиционирования механизмов записи/считывания, а ещё – от точности фокусировки светового луча и размера светового пятна, попадающего на отражающую поверхность.

Первые оптические диски, параметры которых приведены выше, получили название компакт-дисков или CD (Compact Disk), а поскольку они не допускали записи (изменения хранимой) информации, то их, по аналогии с постоянными ЗУ (Read-Only Memory), стали называть CD-ROM, хотя это название точнее можно отнести к паре диск-привод, считывающей с диска информацию.

По типу носителя различают компакт-диски (CD) и DVD диски (Digital Versatile Disks – цифровые универсальные диски). Собственно говоря, DVD можно рассматривать как следующее поколение оптических дисков, обеспечивающее более высокую плотность хранения информации и скорость передачи данных за счет иной организации носителя.

Компакт-диски в стандартном варианте допускают запись 650 – 700 Мбайт информации.

DVD диски внешне похожи на CD и по размерам, и по материалу, из которого изготовлена их основа. Однако они имеют несколько иную организацию. Во-первых, размеры ямок и шаг витков спиральной дорожки DVD в два с лишним раза меньше, чем у CD (шаг витка 0,74 мкм вместо 1,6 мкм, а минимальная длина ямки 0,4 мкм вместо 0,84 мкм). Во-вторых, на DVD дисках информация может быть записана не в один, а в два слоя, да еще и на обе стороны, а не на одну, как у компакт-диска. Кроме того, в DVD дисках применяют иное кодирование. Все перечисленное позволяет записывать на стандартные DVD до 17 Гбайт данных.

Таким образом, DVD диски имеют несколько разновидностей. Первоначально они ориентировались на видео рынок, и даже буква V в их названии означала Video.

Кроме этих двух основных типов существуют также оптические диски с прямым доступом, но они распространены значительно меньше.

По возможности смены хранимой информации, будучи по своей природе функциональными «родственниками» постоянных ЗУ, оптические диски также разделяются на прессованные, с однократной записью (записываемые – Recordable или R) и перезаписываемые (Rewritable или RW, хотя есть и иные аббревиатуры). Нетрудно заметить полную аналогию с тремя видами полупроводниковых ПЗУ: программируемыми изготовителем, с однократным программирова-нием и перепрограммируемыми. Прессованные компакт-диски изготавливаются на заводах, обычно большими партиями, что обеспечивает их низкую себестоимость. Они имеют самый простой носитель, состоящий из трех слоев:

– пластмассовой (поликарбонатной) основы, на которой отштам-пована спиральная дорожка с ямками, несущая записанную информацию;

– отражающего слоя алюминиевой металлизации;

– слоя лака, защищающего отражающий слой от царапин и пыли, на который может быть нанесено полиграфическое оформление диска.

Диски с однократной записью (компакт-диски такого типа называют CD-R – recordable – записываемые), имеют несколько иную технологию изготовления носителя и записи информации. Такой диск состоит уже из четырех слоев:

– пластмассовой (поликарбонатной) основы;
– записывающего слоя из специального красителя;
– отражающего металлизированного слоя (из золота или серебра, что позволяет уменьшить коррозию этого слоя);
– защитного слоя лака, на который может наноситься полигра-фическое оформление диска.

Пластмассовая основа имеет углубления, образующие спиральную дорожку, имеющую такой же шаг – 1,6 мкм, как и у штампованного диска, в местах расположения которой и будет записываться информация. Запись производится тепловым воздействием сфокуси-рованного лазерного луча на красящий слой, в результате чего в местах этого воздействия слой темнеет («прожигается») и при считывании данных отраженный луч в них оказывается слабее, что равнозначно наличию ямок штампованных дисков в этих местах. Конечно, такой способ дает заметно меньшую интенсивность сигнала, чем у прессованного диска (порядка 70 %).

Перезаписываемые диски (ReWritable – CD-RW или DVD-RW, правда, последние имеют целый ряд разновидностей: DVD+RW, DVD-RAM) обладают еще более сложной структурой носителя. Они состоят уже, чаще всего, из шести слоев:

– пластмассовой (поликарбонатной) основы;
– слоя диэлектрического материала;
– записывающего слоя из специального материала;
– отражающего слоя металлизации;
– повторного слоя диэлектрического материала;
– защитного слоя лака.

Пластмассовая основа здесь такая же, как и у записываемого компакт-диска с заготовленной спиральной дорожкой. Записывающий слой представляет собой композитный материал (например, смесь серебра, иридия, теллура и антимония), который может изменять свое фазовое состояние, переходя либо в кристаллическую фазу, либо в аморфное состояние. Причем переход в одно или другое состояние происходит при нагреве материала сфокусированным лазерным лучом и последующим охлаждением.

Состоят DVD диски из двух соединенных между собой половинок («сторон») толщиной по 0,6 мм каждая. Такое построение диска обусловлено тем, что поликарбонатная основа DVD делается тоньше, чем у CD в связи с необходимостью считывания сигналов, отражаемых от ямок меньших размеров и от второго слоя, если он используется. Но это дает толщину как раз около 0,6 мм и в результате такой диск был бы слишком мягким и неудобным в использовании. Поэтому для придания диску жесткости (впрочем, и для увеличения его информационной емкости) две половинки и соединяют вместе (специальным адгезивным слоем).

Если одна из половинок не используется для хранения информации, то такие диски называют односторонними, если же данные хранятся на обеих половинках, то это, соответственно, диски двусторонние (схожие в этом отношении с грампластинками). При этом, если половинка имеет один слой для хранения (записи) информации, то такой диск называют однослойным, а если данные хранятся в двух слоях, то – двухслойным. Обычно, если диск двусторонний, то обе половинки имеют одинаковое количество слоев, хотя это и не обязательно.