Хранение информации. Внешняя память

Основной функцией внешней памяти компьютера является способность долговременно хранить большой объем информации (программы, документы, аудио- и видеоклипы и т.д.). Устрой­ство, которое обеспечивает запись/считывание информации, называется накопителем, или дисководом, а хранится информация _на носителях (например, на дискетах).

В качестве устройств внешней памяти используются накопите­ли на гибких магнитных дисках (НГМД), жестких магнитных дис­ках (НЖМД), компакт-дисках, магнитной ленте (стримеры), Flash.

Накопители на гибких магнитных дисках. Гибкий диск (floppy disk), или дискета, — носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Он используется для переноса данных с одного компь­ютера на другой.

В процессе записи информации на гибкие и жесткие магнит­ные диски головка дисковода с сердечником из магнитомягкого материала (малая остаточная намагниченность) перемещается вдоль магнитного слоя магнитожесткого носителя (большая оста­точная намагниченность); при этом на магнитную головку посту­пают последовательности электрических импульсов (последова­тельности логических единиц и нулей), которые создают в голов­ке магнитное поле.

Магнитные домены на ферромагнитной поверхности матери­ала выстраиваются вдоль дорожек в направлении приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обыч­но устанавливается однозначное соответствие между двоичной информацией и ориентацией магнитных доменов. Такой способ записи двоичной информации на магнитной поверхности назы­вается магнитным кодированием.

При считывании информации, наоборот, намагниченные уча­стки носителя вызывают в магнитной головке импульсы тока (яв­ление электромагнитной индукции). Последовательности таких импульсов передаются по магистрали" в оперативную память ком­пьютера.

 

 

Рис. 3.3. Структура диска: 1 — сектор; 2 — трек

 

Информация записывается по кон­центрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы (рис. 3.3). Число дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хра­нит минимальную порцию информа­ции, которая может быть записана на Диск или считана с него. Емкость сек­тора постоянна и составляет 512 байт.

В настоящее время наибольшее рас­пространение получили дискеты со следующими характеристиками:

• диаметр — 3,5 дюйма (89 мм);

• емкость — 1,44 Мбайт;

• число дорожек — 80;

• число секторов на дорожках — 18.

Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (floppy-disk drive), автоматически в нем фиксируется, пос­ле чего механизм накопителя раскручивается до частоты враще­ния 360 мин^-1. В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными.

Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков. 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.

Для того чтобы на диске можно было хранить информацию, диск должен быть отформатирован, т.е. должна быть создана фи­зическая и логическая структура диска (см. подразд. 4.2).

Накопители на жестких магнитных дисках. Если гибкие диски — это средство переноса данных между компьютерами, то жесткий диск — это информационная база компьютера.

Накопитель на жестких магнитных дисках (HDD — Hard Disk Drive), или винчестер, — это наиболее распространенное запо­минающее устройство большой емкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины, обе по­верхности которых покрыты слоем магнитного материала толщи­ной 1,1 мкм, а также слоем смазки для предохранения головки от повреждения при ее опускании и подъеме на ходу. Винчестер ис­пользуется для постоянного хранения информации — программ и данных. Как и у дискеты, рабочие поверхности пластин 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 пластин имеет магнитное покрытие. При враще­нии диска над ним образуется воздушный слой, который обеспе­чивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 0,5 мкм над поверхностью диска.

Винчестеры имеют очень большую емкость — 50, 80, 100 Гбайт. В отличие от дискеты жесткий диск вращается непрерывно. Винче­стер связан с процессором через контроллер жесткого диска. Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем (обычно 24 Мбайт), который существенно повышает их производительность. Использование современных контроллеров жестких дисков с прямым доступом к оперативной памяти UltraDMA-133 (Direct Memory Access — прямой доступ к памяти) позволяет достигать скорости обмена данными между жесткими дисками и оператив­ной памятью до 133 Мбайт/с (обычный показатель — 1012 байт/с).

Н акопители на компакт-дисках. В настоящее время наибольшую популярность приобрели накопители на лазерных дисках (CD- Ъ0Ы, DVD-ROM, CD-RW) (рис. 3.4, а).

В процессе считывания информации с лазерных дисков луч лазера, установленного в дисководе, падает на поверхность вра­щающегося диска и отражается. Так как поверхность лазерного «иска имеет участки с различными коэффициентами отражения, то отраженный луч также меняет свою интенсивность (логиче­ские 0 или 1).

В процессе записи информации на лазерные диски для созда­лся участков поверхности с различными коэффициентами отра­жения применяются различные технологии — от простой штам­повки до изменения отражающей способности участков поверх­ности дисков мощным лазером.

Носителем информации является CD-ROM (Compact Disk Read­only Memory — компакт-диск, с которого можно только читать). CD-ROM представляет собой прозрачный полимерный диск диа­метром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого на-

Рис. 3.4. CD-ROM и DVD-ROM: о — внешний вид; б — запись информации на дисках CD-ROM и DVD-ROM

пылен 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), расположенных на спиральной дорожке, выходя­щей вблизи оси диска (рис. 3.4, б). На каждом дюйме по радиусу диска размещается 16 тыс. витков спиральной дорожки. Для срав­нения: на поверхности жесткого диска на каждом 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.

CD-ROM просты и удобны в работе, имеют низкую стоимость, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вируса­ми, с них невозможно случайно стереть информацию.

В отличие от магнитных дисков компакт-диски имеют не мно­жество кольцевых дорожек, а одну — спиральную. В связи с этим угловая скорость вращения диска не постоянна. Она линейно умень­шается в процессе продвижения читающей лазерной головки к краю диска.

Для работы с CD-ROM нужно подключить к компьютеру на­копитель CD-R, преобразующий последовательность углублений и выступов на поверхности CD-ROM в последовательность дво­ичных сигналов, в котором 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, то 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.

На смену CD-ROM стремительно идет технология цифровых видеодисков DVD. Эти диски имеют тот же размер, что и обыч­ные CD, но вмещают больше информации — от 4,7 Гбайт и бо­лее, так как информация может быть записана с двух сторон, в два слоя на каждой стороне, а сами дорожки имеют меньшую толщину.

Да таких дисках выпускаются мультимедийные игры и интер­активные видеофильмы отличного качества, позволяющие зрите­лю просматривать эпизоды под разными углами камеры, выби-оать различные варианты окончания картины, знакомиться с био­графиями снявшихся актеров, наслаждаться великолепным каче­ством звука.

Записывающий накопитель CD-ROM (Compact Disk Recordable) способен наряду с прочтением обычных компакт-дисков записы­вать информацию на специальные оптические диски емкостью 650 Мбайт и более (до 800 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.

Накопитель CD-RW (Compact Disk Rewriter/Writer) может ис­пользоваться для многократной записи информации на CD-ROM.

Накопители на магнитной ленте (стримеры). Стример (tape streamer) — устройство для резервного копирования больших объе­мов информации. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой емкостью 8... 12 Гбайт и больше.

Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед ее записью и вос-I станавливать после считывания, что увеличивает объем сохраня­емой информации. Недостатком стримеров является их сравни­тельно низкая скорость записи, поиска и считывания информа-^:'ций.

Flash. В настоящее время используются накопители Flash (рис. I 3.5), имеющие встроенную карту памяти объемом от 64 Мб до 8 Гб, «пользующиеся большим спросом благодаря своей компактности.

По оценкам специалистов, объем информации, фиксируемой на различных носителях, превышает 1 Эбайт в год (10¹⁸ байт/год). Примерно 80 % этой информации хранится в цифровой форме на агнитных и оптических носителях и только 20 % — на аналого­вых носителях (бумага, магнитные ленты, фото- и кинопленки).

1 дюйм = 2,54 см. ис. 3.5. Flash memory. Если всю записанную в 2000 г. информацию распределить на всех жителей планеты, то на каждого человека придется по 250 Мбайт, а для ее хранения потребуется 85 млн жестких магнитных дисков по 20 Гбайт.

Любой носитель информации характеризуются информацион­ной емкостью, т. е. количеством информации, которое он может хранить. Наиболее информационно-емкими являются молекулы ДНК, которые имеют очень малый размер и большую плотность. Это позволяет хранить огромное количество информации, что дает возможность организму развиваться из одной единственной клет­ки, содержащей всю необходимую генетическую информацию.

Современные микросхемы памяти позволяют хранить в 1 мкм до 1010 бит информации, однако это в 100 млрд раз меньше, чем в ДНК. Можно сказать, что современные технологии пока суще­ственно проигрывают биологической эволюции.

Однако если сравнивать информационную емкость традицион­ных носителей информации (книг) и современных компьютер­ных носителей, то прогресс очевиден. На каждом гибком магнит­ном диске может храниться книга объемом около 600 страниц, а на жестком магнитном диске — целая библиотека, включающая в себя десятки тысяч книг.

Большое значение имеет надежность и долговременность хра­нения информации. Надежность (устойчивость к повреждениям) достаточно высока у аналоговых носителей, повреждение кото­рых приводит к потере информации только на поврежденном участ­ке. Поврежденная часть фотографии не лишает возможности ви­деть оставшуюся часть, повреждение участка магнитной ленты приводит лишь к временному пропаданию звука и т.д.

Цифровые носители гораздо более чувствительны к поврежде­ниям, даже утеря одного бита данных на магнитном или оптиче­ском диске может привести к невозможности считать файл, т. е. к потере большого объема данных. Именно поэтому необходимо со­блюдать правила эксплуатации и хранения цифровых носителей информации.

Наиболее долговременным носителем информации является молекула ДНК, которая в течение десятков тысяч (существования человека) и миллионов лет (существование некоторых живых орга­низмов) сохраняет генетическую информацию данного вида. Ана­логовые носители способны сохранять информацию в течение тысячелетий (египетские папирусы и шумерские глиняные таб­лички), сотен (бумага) и десятков лет (магнитная лента, фото- и кинопленка). Цифровые носители появились сравнительно недав­но и поэтому об их долговременности можно судить только по оценкам специалистов. По экспертным оценкам, при правильном хранении оптические носители способны хранить информацию сотни лет, а магнитные — десятки лет.

Устройства ввода информации

Клавиатура. Клавиатура компьютера (рис. 3.6, а, б) — устрой­ство для ввода информации в компьютер и подачи управляющих _сйгналов. Оно содержит стандартный набор клавиш печатающей ^ашинки и некоторые дополнительные клавиши: управляющие клавиши, функциональные клавиши, клавиши управления кур­сором, а также малую цифровую клавиатуру.

Курсор — светящийся символ на экране монитора, указыва­ющий позицию, на которой будет отображаться следующий вво­димый с клавиатуры знак. Все символы, набираемые на клавиату­ре, немедленно отображаются на мониторе в позиции курсора.

Стандартная клавиатура имеет 101 клавишу и подключается к специальному разъему на системном блоке.

Рис. 3.6. Клавиатуры и манипуляторы: Щ~~ обычная клавиатура; б — эргономичная клавиатура; в — мышь; г — джой­стик; д — трекбол; е — тачпад

Клавиатура содержит встроенный микроконтроллер (местное устройство управления), который выполняет следующие функции:

• последовательно опрашивает клавиши, считывая введенный сигнал и вырабатывая двоичный скан-код клавиши;

• управляет световыми индикаторами клавиатуры;

• проводит внутреннюю диагностику неисправностей;

• осуществляет взаимодействие с центральным процессором через порт ввода-вывода клавиатуры.

Клавиатура имеет встроенный буфер — промежуточную память малого размера, куда помещаются введенные символы. В случае переполнения буфера нажатие клавиши будет сопровождаться зву­ковым сигналом — это означает, что символ не введен (отверг­нут). Работу клавиатуры поддерживают специальные программы, «зашитые» в BIOS, а также драйвер клавиатуры, который обеспе­чивает возможность ввода русских букв, управление скоростью работы клавиатуры и др. (см. подразд. 3.3).

Все более популярными становятся клавиатуры на инфракрас­ных лучах, не требующие подключения к системному блоку. Пе­редача сигналов с такой клавиатуры осуществляется по принци­пу, аналогичному дистанционному управлению.

Манипуляторы. Манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол, тач-пад, дигитайзер) — это специальные устройства, используемые для управления курсором.

Мышь имеет вид небольшой коробки, полностью помеща­ющейся на ладони (рис. 3.6, в). Мышь связана с компьютером ка­белем через специальный блок — адаптер, и ее движения преоб­разуются в соответствующие перемещения курсора по экрану дис­плея. В оптико-механических манипуляторах основным функцио­нальным элементом является массивный шар (металлический, покрытый резиной). У мыши он вращается при перемещении ее корпуса по горизонтальной поверхности, а у трекбола — враща­ется непосредственно рукой.

Вращение шара передается двум пластмассовым валам, поло­жение которых с большой точностью считывается инфракрасны­ми парами светоизлучатель—фотоприемник и затем преобразует­ся в электрический сигнал, управляющий движением указателя мыши на экране монитора.

Манипуляторы обычно имеют две кнопки управления, кото­рые используются при работе с графическим интерфейсом про­грамм, а также дополнительная кнопка-колесо, которая предназ­начена для прокрутки вверх или вниз не помещающегося цели­ком на экране изображения, текста или WEB-страницы.

Манипуляторы могут подключаться к компьютеру тремя раз­личными способами: с использованием последовательного порта СОМ, специального маленького круглого 5-контактного разъема PS/2 и универсального USB-порта.

Джойстик — обычно это стержень-ручка, отклонение которой от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора (рис. 3.6, г). qh часто применяется в компьютерных играх. В некоторых моде­лях в джойстик монтируется датчик давления: чем сильнее пользо­ватель нажимает на ручку, тем быстрее движется курсор по экра­ну дисплея.

Трекбол — небольшая коробка с шариком, встроенным в верх­нюю часть его корпуса (рис. 3.6, д). Пользователь рукой вращает шарик и перемещает соответственно курсор.

Тачпад (сенсорная панель) представляет собой панель прямо­угольной формы, чувствительную к нажатию пальцев (рис. 3.6, е). Тачпад играет ту же роль, что и мышь, но является более компакт­ным, не требующим пространственного перемещения устройством ввода. Он идеально подходит для портативных компьютеров. Тач­пад встраивают непосредственно в клавиатуру для настольного компьютера. Прикоснувшись пальцем к поверхности тачпада и пе­ремещая его, пользователь может маневрировать курсором так же, как и при использовании мыши. Нажатие на поверхность тачпада эквивалентно нажатию на кнопку мыши.

Дигитайзер — устройство для преобразования готовых изобра­жений (чертежей, карт) в цифровую форму. Дигитайзер представ­ляет собой плоскую панель — планшет, располагаемую на столе, и специальный инструмент — перо, с помощью которого указы­вается позиция на планшете. При перемещении пера по планшету фиксируются его координаты в близко расположенных точках, которые затем преобразуются в компьютере в требуемые единицы измерения.

Сканер. Сканер используется для оптического ввода в компью­тер и преобразования в цифровую форму изображений (фотогра­фий, рисунков, слайдов), а также текстовых документов.

Сканируемое изображение освещается белым светом (черно-белые сканеры) или тремя цветами (красным, зеленым и синим). Отраженный свет проецируется на линейку фотоэлементов, ко­торая движется, последовательно считывает изображение и пре­образует его в компьютерный формат. Если при помощи сканера Вводится текст, то компьютер воспринимает его как картинку, а Не как последовательность символов. Для преобразования такого -Пифического текста в обычный символьный формат используют Программы оптического распознавания образов.

Такие программы способны распознавать текстовые докумен­ты на различных языках, представленные в различных формах (на­пример, в виде таблиц) и с различным качеством печати (начи­ная с машинописных документов).

Существуют планшетные и ручные сканеры. Планшетные ска­неры могут поставляться вместе со специальным слайд-модулем,

Рис. 3.7. Цифровая ка­мера

предназначенным для сканирования слай­дов. Разрешающая способность сканеров со­ставляет от 300 dpi (от англ. dot per inch ■— точек на дюйм) и выше, т.е. на полоске изображения длиной 1 дюйм сканер может распознать 600, 800 и 1200 точек. Сканеры подключаются к компьютеру различными способами: с помощью SCSI-адаптеров, к па­раллельному или USB-портам компьютера. Цифровые камеры и ТВ-тюнеры. В послед­ние годы все большее распространение по­лучают цифровые камеры (видеокамеры и фотоаппараты). Цифровые камеры позволя­ют получать видеоизображение и фотосним­ки непосредственно в цифровом (компью­терном) формате. Цифровые видеокамеры (рис. 3.7) могут быть постоянно под­ключены к компьютеру и обеспечивать запись видеоизображения на жесткий диск или его передачу по компьютерным сетям.

Цифровые фотоаппараты позволяют получать высококачествен­ные фотографии, для хранения которых используются специаль­ные модули памяти или жесткие диски очень маленького размера. Запись изображений на жесткий диск компьютера может осуще­ствляться с помощью подключения камеры к USB-порту компь­ютера. Если установить в компьютер специальную плату (ТВ-тю­нер) и подключить к ее входу телевизионную антенну, то по­явится возможность просматривать телевизионные передачи не­посредственно на компьютере.