Другие методы хранения данных

Конспект лекций

“ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, СЕТИ И ТЕЛЕКОММУНИКАЦИИ”

(1-й семестр)

 

Данный курс предназначен студентам механико-математического факультета для специальностей “Прикладная информатики в экономике” и “ Прикладная информатики в юриспруденции”. Вводная часть этого курса посвящена ознакомлению с теоретическими основами представления информации средствами вычислительной техники, обработки информации компьютерными системами.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ХРАНЕНИЕ ДАННЫХ

Хранение битов

Вентили и триггеры

Другие методы хранения данных

Шестнадцатеричная система счисления

Основная память

Массовая память

Магнитные диски

Компакт-диски

Магнитная лента

Сохранение и считывание файлов

Представление информации в виде комбинации двоичных

разрядов

Представление текста

Представление числовых значений

Представление изображений

Двоичная система счисления

Представление дробей в двоичных кодах

Представление целых чисел

Двоичный дополнительный код

Сложение чисел в двоичном дополнительном коде

Двоичная нотация с избытком

Представление дробных значений

Двоичная нотация с плавающей точкой

ОБРАБОТКА ДАННЫХ

Центральный процессор

Регистры

Наиболее распространенные типы ЦП

Интерфейс между ЦП и основной памятью

Машинные команды

Команды передачи данных

Арифметические и логические команды

Команды управления

Концепция хранимой программы

Представление машинных команд в виде битовых комбинаций

Машинный язык

Коды операций

Операнды

Пример программы

Выполнение программы

Сравнение производительности компьютеров

Пример выполнения программы

Программы и данные

Арифметические и логические команды

Логические операции

Операции сдвига

Арифметические операции

Взаимодействие с другими устройствами

Взаимодействие через управляющее устройство

Скорость передачи данных

Конструкция шины

Другие типы архитектуры компьютеров

CISC- и RISC-архитектура компьютеров

Конвейерная обработка

Многопроцессорные машины

ПРИЛОЖЕНИЕ

 

 

ВВЕДЕНИЕ

ХРАНЕНИЕ ДАННЫХ

Хранение битов

 

Информация в современных компьютерах представляется в виде комбина­ции битов. Бит, или двоичный разряд, представляется одной из двух цифр (нуль и единица), которые мы пока будем рассматривать как простые симво­лы, не имеющие числового значения. Далее мы увидим, что смысловое зна­чение бита изменяется от одного приложения к другому. Для запоминания двоичных разрядов (или битов) машине требуется некоторое устройство, ко­торое может пребывать в одном из двух состояний. К таким устройствам от­носятся переключатель (включен/выключен), реле (открыто/закрыто) или флажок на флагштоке (поднят/опущен). Одно состояние представляет значе­ние 0, а другое — значение 1. Итак, вначале рассмотрим способы хранения двоичных разрядов в современных машинах.

 

Вентили и триггеры

 

Начнем ознакомление с логических операций AND (И), OR (ИЛИ) и XOR (исключающее ИЛИ), принципы выполнения которых показаны на рис. 1.1. Эти операции подобны арифметическим операциям умножения и сложения, которые соответствующим образом комбинируют пару величин, представ­ляющих собой входные данные операции, в целях создания третьей величи­ны, являющейся выходными данными операции. Однако в отличие от ариф­метических операций, единственными цифрами, которыми манипулируют логические операции AND, OR и XOR, являются 0 и 1. В этом контексте мы принимаем, что 0 представляет логическое значение ложь (false), a 1 — ло­гическое значение истина (true). Операции, которые манипулируют значе­ниями истина и ложь, называются логическими, или булевыми операциями (последнее название присвоено в память о математике Джордже Буле (George Boole, 1815-1864)).

Булева операция AND (И) была разработана для отражения истинности или ложности высказываний, образованных в результате соединения двух меньших высказываний с помощью союза и. В общем виде такие высказывания можно представить следующим образом:

P AND Q

Здесь Р представляет одно высказывание, a Q — другое. Давайте рассмотрим это на таком примере:

"Кермит — лягушка" AND "Мисс Пигги — актриса"

Входные данные для операции AND представляют истинность или ложность компонентов, составляющих высказывание, а результат — истинность или лож­ность самого высказывания. Поскольку высказывание, представленное в виде Р AND Q, является истинным только тогда, когда оба его компонента истинны, мы

можем сделать заключение, что выражение 1 AND 1 должно иметь значение 1, тогда как во всех остальных случаях его результатом будет значение 0, как по­казано на рис. 1.1.

Рис. 1.1 Булевы операции

 

Аналогичным образом операция OR (ИЛИ) основана на сложном высказыва­нии, имеющем следующий вид:

Р OR Q

Здесь также операнд Р представляет одно выражение, а операнд Q — другое. Такие высказывания являются истинными в том случае, если хотя бы один из их компонентов истинен, как изображено на рис. 1.1, б.

В английском языке нет отдельного союза, выражающего смысл операции XOR (исключающее ИЛИ). Операция XOR дает в результате значение 1 (истина) только тогда, когда один из входных операндов будет иметь значение 1 (истина), а дру­гой — значение 0 (ложь). Таким образом, утверждение, построенное по схеме Р XOR Q, имеет следующий смысл: "либо Р, либо Q, но не оба одновременно".

Следующая булева операция выполняет действие NOT (HE). Она отличается от операций AND, OR и XOR тем, что имеет только одно входное значение. Ре­зультат этой операции имеет значение, противоположное входному значению. Иначе говоря, если входным значением операции NOT является истина, то ре­зультат будет иметь значение ложь, и наоборот. Например, пусть входное зна­чение операции NOT представляет истинность или ложность следующего вы­сказывания: "Фоззи — медведь".

Тогда результат выполнения этой операции будет представлять истинность или ложность противоположного высказывания:

"Фоззи — не медведь".

Устройство, которое выдает результат булевой операции после введения входных данных, называется вентилем. Существуют различные технологии конструирования вентилей, например с использованием зубчатых колес, реле или оптических уст­ройств. Вентили, встроенные в современный компьютер, — это небольшие электрон­ные цепи, в которых цифры 0 и 1 представляются разными уровнями электрическо­го напряжения. Однако нам совсем не обязательно подробно обсуждать эту тему. Вполне достаточно представить вентили в их символической форме, как это показа­но на рис. 1.2. Обратите внимание, что вентили AND, OR, XOR и NOT изображаются в виде различных схематических элементов, у которых входные данные поступают с одной стороны, а выходной сигнал считывается с другой стороны.

Рис. 1.2 Схематическое представление вентилей AND, OR, XOR, NOT и таблицы входных и выходных данных

 

Вентили, подобные показанным на рис. 1.2, представляют собой строитель­ные блоки, из которых конструируются компьютеры. Один важный этап этого направления представлен в электрической схеме, показанной на рис. 1.3. Это один из возможных вариантов схем определенного класса, называемых тригге­рами. Триггер — это схема, которая постоянно выдает выходное значение 0 или 1; оно не меняется до тех пор, пока одиночный импульс от другой схемы не переведет ее в противоположное состояние. Другими словами, выходное значе­ние будет переключаться из одного состояния в другое только под воздействием внешних стимулов. Пока оба входных значения в схеме, представленной на рис. 1.3, равны нулю, выходное значение (0 или 1) будет неизменным. Однако даже кратковременное появление значения 1 на верхнем входе схемы вызовет установку на ее выходе значения 1, тогда как кратковременное появление значе­ния 1 на нижнем входе вызовет установку на выходе значения 0.

Рис. 1.3

 

Теперь рассмотрим предыдущее утверждение более подробно. Мы не знаем текущего выходного значения схемы, представленной на рис. 1.3, поэтому пред­положим, что на верхний вход поступило значение 1, тогда как на нижнем входе сохраняется значение 0 (рис. 1.4, а). Это приведет к тому, что выходное значе­ние вентиля OR станет равно 1, независимо от текущего значения на его втором входе. В свою очередь, на обоих входах вентиля AND теперь будут значения 1, поскольку на другом его входе уже присутствует значение 1 (оно появляется за счет передачи значения 0 на нижнем входе триггера через вентиль NOT). В ре­зультате выходное значение вентиля AND станет равно 1, а это значит, что на втором входе вентиля OR также появится значение 1 (рис. 1.4, б). Это гаранти­рует, что выходное значение вентиля OR останется равным 1 даже в том случае, если значение на верхнем входе триггера вновь станет равно 0 (рис. 1.4, в). Та­ким образом, выходное значение триггера теперь равно 1 и будет сохраняться таким даже в том случае, если на верхний вход будет вновь подано значение 0.

Точно так же временное появление значения 1 на нижнем входе триггера приве­дет к тому, что на его выходе установится значение 0, которое будет оставаться не­изменным даже после того, как на нижний вход вновь будет подано значение 0.

Рис 1.4 а) Единица поступает на верхний вход

Рис 1.4 б) Это вызывает появление единицы на выходе вентиля OR, что, в свою очередь, вызывает появление единицы на выходе вентиля AND

Рис 1.4 в) Наличие единицы на выходе вентиля AND удерживает вентиль OR от изменения его состояния и после снятия единичного сигнала с верхнего входа

 

Для нас значение триггерной схемы состоит в том, что она является идеаль­ным механизмом для хранения двоичных данных (битов) внутри компьютера. Величина, сохраняемая в триггере, определяется его выходным значением. Дру­гие схемы легко могут изменять это значение, посылая импульсы на входы триггера. Подобным же образом другие схемы могут реагировать на хранимое в триггере значение посредством использования выходного значения триггера как одного из своих входных значений.

Конечно, существуют и другие варианты построения триггеров. Один из них изображен на рис. 1.5. Если поэкспериментировать с этой схемой, то можно обна­ружить, что, несмотря на совершенно иную внутреннюю структуру, ее внешние свойства полностью аналогичны свойствам схемы, представленной на рис. 1.3. Это первый пример большого значения абстрактных инструментов. При разработке схемы триггера инженер рассматривает несколько альтернативных способов его построения с использованием вентилей в качестве компоновочных блоков. Как только триггеры и другие базовые схемы будут разработаны, инженер сможет ис­пользовать их в качестве строительных блоков для создания более сложных схем. Таким образом, разработка общей схемы компьютера приобретает иерархическую структуру, в которой на каждом уровне в качестве абстрактных инструментов ис­пользуются компоненты, созданные на предыдущих уровнях.

Рис 1.5 Еще один вариант конструкции триггера

 

Основная память

 

В компьютере для хранения данных используется большой набор схем, каж­дая из которых способна запомнить один двоичный разряд (бит). Это хранилище битов принято называть основной (или оперативной) памятью. Запоминающие схемы основной памяти машины организованы в небольшие блоки (доступные как единое целое), которые называются ячейками памяти (или машинными сло­вами). Как правило, размер ячейки памяти составляет восемь бит. Наборы из восьми бит получили такую популярность, что для их обозначения сейчас широ­ко используется специальный термин байт.

Микрокомпьютеры, используемые, например, в микроволновых печах, имеют основную память, которая измеряется всего лишь несколькими сотнями ячеек, тогда как компьютеры, предназначенные для хранения и обработки большого количества информации, имеют миллиарды ячеек основной памяти. Размер ос­новной памяти машины часто измеряется единицами в 1 048 576 отдельных ячеек. (Величина 1 048 576 — это число, равное 220, и это значение более удобно в качестве единицы измерения в компьютере, чем число 1 000 000.) Для обозна­чения этой единицы измерения используется термин мега. Аббревиатура Мбайт обычно употребляется как сокращение для термина мегабайт. Следовательно, память емкостью 4 Мбайт содержит 4194304 (4x1 048 576) ячейки, каждая размером 1 байт. Другими единицами измерения памяти являются килобайт (сокращенно Кбайт), который равен 1024 байт (210байт), и гигабайт (сокращенно Гбайт), который равен 1024 Мбайт, или 230байт.

Для идентификации отдельных ячеек основной памяти машины каждой ячейке присваивается уникальное имя, называемое адресом. Эта система аналогична мето­ду, используемому для поиска здания в городе по указанному адресу. Однако в слу­чае с ячейками памяти применяются исключительно цифровые адреса. Точнее гово­ря, можно просто представить себе все эти ячейки помещенными в один ряд и про­нумерованными в восходящем порядке, начиная с нуля. Адреса ячеек в машине с памятью 4 Мбайт будут представлены числами 0, 1, 2,..., 4 194 304. Следует отме­тить, что такая система адресации не только позволяет однозначно идентифициро­вать каждую ячейку памяти (рис. 1.7), но и упорядочивает их, делая правомочными такие выражения, как "следующая ячейка" или "предыдущая ячейка".

В состав основной памяти машины, помимо электрической цепи, фиксирующей значения битов, входит и другая цепь, позволяющая остальным компонентам маши­ны записывать данные в ячейки памяти и извлекать их оттуда. Благодаря этому другие схемы могут считывать информацию из памяти посредством электронного запроса на извлечение содержимого ячейки с определенным адресом (это действие называется операцией считывания) или записывать информацию в память, посылая запрос на помещение определенной комбинации двоичных разрядов в ячейку с ука­занным адресом (это действие называется операцией записи).

Поскольку основная память машины организована в виде небольших, прямо адресуемых ячеек, это позволяет адресовать каждую ячейку памяти в отдельно­сти, т.е. данные, помещенные в основную память, могут обрабатываться в про­извольном порядке. Это поясняет, почему основную память машины часто назы­вают памятью с произвольной выборкой (random access memory, RAM). Воз­можность произвольного доступа к небольшим блокам данных совершенно противоположна принципам работы с устройствами массовой памяти, которые будут обсуждаться в следующем разделе. В этих устройствах длинные строки битов приходится обрабатывать как единый блок. Если память типа RAM созда­ется с использованием технологии динамической памяти, то в этом случае ее на­зывают DRAM (Dynamic RAM).

Рис 1.7 Образное представление ячеек памяти, упорядоченных по адресам

 

Биты в ячейке памяти можно представить себе размещенными в один ряд. Один конец этого ряда называется старшим, а другой — младшим. Несмотря на то что в машине нет ни правой, ни левой стороны, в нашем представлении биты всегда выстроены в ряд слева направо, причем старший конец располагается слева. Бит, находящийся на этом конце, обычно называют старшим, или битом с наибольшим весом. Бит на другом конце именуют младшим, или битом с наименьшим весом. Таким образом, содержимое ячейки памяти размером один бай можно представить себе так, как показано на рис. 1.8.

 

Рис 1.8 Организация ячейки памяти размером один байт

 

Важным следствием упорядоченности ячеек в основной памяти и отдельных битов в пределах каждой такой ячейки является то, что вся совокупность бит памяти машины, в сущности, располагается в один длинный ряд. Следователь­но, отдельные части этого длинного ряда могут использоваться для хранения комбинаций двоичных разрядов, длина которых будет больше длины отдельной ячейки. В частности, если память разделена на ячейки размером один байт, то для сохранения строки из 16 бит можно просто воспользоваться двумя последо­вательными ячейками памяти.

 

Массовая память

 

В связи с невозможностью постоянного хранения данных и ограниченным объемом основной памяти компьютера большинство машин обеспечивается уст­ройствами дополнительной памяти, которые называются массовой памятью, или запоминающими устройствами большой емкости. В их число входят магнитные диски, компакт-диски и магнитные ленты. Преимущества таких устройств, по сравнению с основной памятью компьютера, состоят в долговременности хране­ния данных, большей емкости и, в большинстве случаев, возможности извлече­ния носителя информации из машины в целях архивирования.

Термины постоянно подключенное и автономное часто используются для описания устройств, которые можно присоединять к машине или отключать от нее. Термин постоянно подключенное (on-line) означает, что устройство или ин­формация присоединены и могут быть доступны машине без вмешательства че­ловека. В отличие от этого, термин автономный (off-line) означает, что прежде чем устройство или информация смогут быть доступны машине, потребуется вмешательство человека (требуется либо включить устройство, либо установить в него носитель информации).

Основным недостатком устройств массовой памяти является то, что, они обычно требуют механических перемещений носителя или устройства считыва­ния. Поэтому время доступа к информации у этих устройств существенно больше по сравнению с основной памятью машины, в которой все необходимые дей­ствия выполняются на уровне электрических сигналов.

 

Магнитные диски

 

Одним из наиболее распространенных типов массовой памяти, применяемых в наше время, являются магнитные диски. В этих устройствах в качестве носи­теля данных используется тонкий вращающийся диск с магнитным покрытием. Головки чтения/записи размещаются над и/или под диском таким образом, что во время вращения диска каждая головка описывает над ним круг, называемый дорожкой, расположенной на верхней или нижней поверхности диска. Переме­щая головки чтения/записи над поверхностью диска, можно получить доступ к различным концентрическим дорожкам. Чаще всего дисковая система памяти состоит из нескольких дисков, смонтированных на общей оси и расположенных друг над другом. Между дисками оставляется пространство, достаточное для пе­ремещения головок чтения/записи между пластинами. Все головки чте­ния/записи в этом случае двигаются как единое целое. При каждом перемеще­нии головок становится доступной новая группа дорожек, которую принято на­зывать цилиндром.

Так как дорожка может содержать больше информации, чем обычно требует­ся одновременно обрабатывать, все дорожки поделены на зоны, или секторы, в которых информация записывается в виде непрерывной строки битов (рис. 1.9). Каждая дорожка внутри дисковой системы содержит одинаковое количество секторов, а каждый сектор, в свою очередь, — одинаковое число двоичных раз­рядов. (Это означает, что в секторах, которые находятся ближе к центру диска, биты данных размещаются более компактно, по сравнению с дорожками, распо­ложенными ближе к внешнему краю.)

Таким образом, мы выяснили, что дисковое запоминающее устройство состо­ит из множества отдельных секторов, каждый из которых может быть незави­симо считан как одна строка битов. Количество дорожек на поверхности диска, а также количество секторов на дорожках могут значительно отличаться в разных дисковых устройствах. Размеры секторов обычно не превышают нескольких ки­лобайт. Чаще всего размер сектора составляет 512 или 1024 байта.

Расположение дорожек и секторов не является постоянной характеристикой, зафиксированной в физической структуре диска. На самом деле они маркируют­ся магнитным способом с помощью процесса, который называется форматирова­нием (или инициализацией) диска. Этот процесс обычно осуществляется той фирмой, которая производит дисковые устройства, и на рынок поступают уже отформатированные диски. Большинство компьютерных систем тоже могут форматировать диски. Поэтому в случае повреждения формата диска он может быть переформатирован, однако это приведет к уничтожению всей информации, которая прежде была записана на данном устройстве.

Рис 1.9 Дисковое запоминающее устройство

 

Емкость дисковых устройств зависит от числа используемых в нем дисковых пластин, а также от плотности размещения дорожек и секторов на их поверхно­сти. Дисковые системы малой емкости состоят из единственного пластикового диска, который называется дискетой, или гибким диском. (Современные гибкие диски размером З 1/2 дюйма имеют жесткие пластиковые корпуса, а не гибкие упаковки, в отличие от своих более старых аналогов диаметром 5 1/4 дюйма, ко­торые упаковывались в бумажные конверты.) Дискеты легко вставляются и вы­нимаются из устройств, а также достаточно удобны в хранении. Поэтому они часто используются как автономные хранилища информации. Универсальная дискета размером З 1/2 дюйма имеет емкость, достаточную для хранения 1,44 Мбайт информации. Однако существуют и дискеты с существенно большей емкостью. Примером может служить дисковое устройство типа Zip компании Iomega Corporation, где на одной жесткой дискете может записываться несколь­ко сотен мегабайт информации.

Дисковые системы большой емкости способны хранить многие гигабайты ин­формации. Такие устройства включают от пяти до десяти жестких дисковых пластин, смонтированных на общей оси. Поскольку используемые в таких уст­ройствах диски являются жесткими, их называют системами с жестким диском, в отличие от гибких дисков, обсуждавшихся выше. Чтобы увеличить скорость вращения дисков, головки чтения/записи в таких системах размещены так, что они не соприкасаются с поверхностью диска, а как бы "плавают" над поверхно­стью с магнитным покрытием. Расстояние между головкой и диском настолько мало, что даже отдельная частица пыли может застрять между ними и вызвать их повреждение (явление, известное как разрушение головки). Поэтому устрой­ства жестких дисков герметически упаковывают в коробки и запечатывают не­посредственно на том предприятии, где они изготовляются.

Для оценки производительности дисковой системы используется несколько параметров: время установки (время, которое требуется для перемещения голов­ки чтения/записи с одной дорожки на другую); задержка вращения, или время ожидания (половина времени, за которое совершается полный оборот диска, что составляет среднее время, необходимое для того, чтобы нужные данные появи­лись под головкой чтения/записи после того, как она разместится над выбран­ной дорожкой); время доступа (сумма времени установки и времени ожидания), а также скорость передачи данных (скорость, с которой данные могут переда­ваться дисковому устройству или считываться с него).

Устройства с жесткими дисками имеют намного лучшие характеристики в сравнении с устройствами, использующими гибкие диски. Так как головки чте­ния/записи не соприкасаются с поверхностью жесткого диска, скорость враще­ния достигает от 3000 до 7000 оборотов в минуту, тогда как скорость вращения гибких дисков составляет только 300 оборотов в минуту. Поэтому устройства с жесткими дисками имеют более высокую скорость передачи, измеряемую обыч­но в мегабайтах в секунду, тогда как скорость передачи данных гибких дисков измеряется в килобайтах в секунду.

Поскольку работа дисковых устройств требует физического перемещения но­сителя, жесткие и гибкие диски проигрывают в скорости по сравнению с элек­тронными схемами. Это неудивительно, так как задержки в электронных схемах измеряются в наносекундах (миллиардная доля секунды) и меньше, тогда как время установки, ожидания и доступа дисковых устройств измеряется в милли­секундах (тысячная доля секунды). Таким образом, время, требуемое для считы­вания информации с дисковых устройств, кажется просто вечностью в сравнении со скоростью работы электронных схем.

 

Компакт-диски

 

Еще одной популярной технологией хранения данных является использова­ние компакт-дисков (CD). Это диски диаметром 12 сантиметров (около 5 дюй­мов), изготовленные из отражающего материала, покрытого прозрачным защит­ным слоем. Информация записывается посредством создания изменений на отражающей поверхности диска и считывается с помощью лазерного луча, который отслеживает неравномерности на отражающей поверхности диска во время его вращения.

Технология изготовления компакт-дисков изначально применялась в произ­водстве аудиозаписей с использованием формата, известного как CD-DA (компакт-диск— цифровое аудио). Компакт-диски, используемые в настоящее время для хранения компьютерных данных, похожи на своих аудиопредшественников, за исключением того, что для них применяется формат CD-ROM (компакт-диск — постоянное запоминающее устройство). Различие между фор­матами CD-DA и CD-ROM состоит в способе интерпретации полей данных. На­пример, в формате CD-DA определенные поля предназначены для хранения ин­формации о времени воспроизведения, тогда как в формате CD-ROM это про­странство используется для хранения произвольных данных.

В отличие от устройств с магнитными дисками, где запись данных осуществ­ляется на концентрических дорожках, информация на компакт-дисках записы­вается на единственной дорожке, которая закручивается спиралью на поверхности диска подобно желобку на старых грампластинках (но в отличие от старых грампластинок дорожка на компакт-диске записывается в направлении от цен­тра к краю). Эта дорожка разделена на части, которые называют секторами. Все секторы содержат одинаковое количество данных, и у каждого есть своя личная маркировка. Сектор в формате CD-ROM содержит 2 Кбайт информации, а сектор того же размера в формате CD-DA содержит данные, обеспечивающие воспроизведение музыки в течение 1/75 секунды.

Обратите внимание, что длина одного оборота спиральной дорожки увеличи­вается по направлению от внутренней части диска к внешней. Из соображений увеличения емкости компакт-диска информация записывается с одной и той же линейной плотностью по всей длине спиральной дорожки. Это означает; что на витке во внешней части спирали хранится большее количество информации, чем на витке в ее внутренней части. Поэтому за один оборот диска будет считываться больше секторов, когда лазерный луч сканирует внешнюю часть спиральной до­рожки, и меньше секторов, когда луч будет сканировать внутреннюю часть до­рожки. В результате, чтобы получить равномерную скорость пересылки данных, CD-плееры разрабатываются таким образом, чтобы можно было изменять ско­рость вращения диска в зависимости от расположения лазерного луча.

Благодаря подобным конструктивным решениям запоминающие системы с компакт-дисками имеют большую производительность при работе с длинными, непрерывными строками данных, например при воспроизведении музыки. Одна­ко если прикладной программе требуется произвольный доступ к данным (например, как в системе резервирования авиабилетов), подход, используемый в устройствах магнитных дисков (отдельные концентрические дорожки, каждая из которых содержит одинаковое количество секторов), оказывается эффективнее спирального метода записи, используемого в компакт-дисках.

Емкость компакт-диска в формате CD-ROM составляет немного больше 600 Мбайт. Однако уже появились новые дисковые форматы, например DVD (Digital Versatile Disk — цифровой универсальный диск). В этом формате емкость каждого носителя составляет около 10 Гбайт. На таких компакт-дисках можно хранить мультимедиа-презентации, в которых аудио- и видео­информация комбинируется в целях более интересной и содёржательной подачи материала. Главная задача разработки стандарта DVD состоит в предос­тавлении инструментальных средств для записи на компакт-диски полномет­ражных кинофильмов. Еще одним вариантом в технологии компакт-дисков является формат CD-WORM (Compact Disk -Write Once, Read Many— компакт-диск с однократной записью и многократным считыванием). Он позволяет записывать данные на компакт-диск после его изготовления, а не во время этого процесса. Эти устройства чрезвычайно удобны для архивирования, а также для производства записей на компакт-дисках в небольших количествах. Диски формата CD-RW предназначены для многократной записи информации.

 

 

Магнитная лента

 

В более ранних типах запоминающих устройств большой емкости использует­ся магнитная лента (рис. 1.10). В этом случае информация записывается на маг­нитное покрытие тонкой пластиковой ленты, которая для хранения наматывает­ся на бобину. Чтобы получить доступ к записанным на ней данным, магнитная лента устанавливается на устройство, называемое лентопротяжным механизмом. Это устройство позволяет считывать, записывать и перематывать магнитную ленту под управлением компьютера. По своим размерам лентопротяжные меха­низмы могут варьироваться от небольших кассетных блоков, называемых стриммерами (в них применяются кассеты, подобные акустическим стереокассе­там), до более старых и громоздких катушечных устройств.

Рис 1.10 Запоминающее устройство на магнитной ленте

 

В современных стриммерных устройствах лента разделена на сегменты, кото­рые маркируются магнитным способом в процессе форматирования (данный спо­соб подобен методу, применяемому для дисковых носителей информации). Каж­дый из сегментов содержит несколько дорожек, расположенных вдоль ленты па­раллельно друг другу. К каждой такой дорожке доступ можно получить независимо от других. Это означает, что лента в сущности состоит из совокупно­сти отдельных строк битов, напоминающих секторы на диске.

Основным недостатком стриммерных устройств является то, что для дос­тупа к информации может потребоваться достаточно много времени, по­скольку это связано с перемоткой ленты с одной бобины на другую. Поэтому лентопротяжные устройства характеризуются существенно большим време­нем доступа к информации, чем устройства с магнитными дисками, в кото­рых для доступа к различным секторам достаточно короткого перемещения головки чтения/записи. Именно по этой причине лентопротяжные устройства не приобрели широкой популярности в качестве основных носителей информации. Однако если речь идет об архивировании данных, то большая емкость, надежность и невысокая стоимость ленточных устройств позволяют считать их хорошим выбором среди прочих современных устройств хранения данных.

 

Представление текста

 

Информация в форме текста обычно представляется с помощью кода, причем каждому отличному от других символу (например, букве алфавита или знаку пунктуации) присваивается уникальная комбинация двоичных разрядов. В этом случае текст будет представлен как длинный ряд битов, в котором следующие друг за другом комбинации битов отражают последовательность символов в ис­ходном тексте.

В ранний период развития компьютерной технологии было разработано много подобных кодов, причем каждый из них использовался в различных элементах оборудования. Это привело к появлению ряда проблем, связанных с передачей информации. Во избежание этих проблем Американский национальный инсти­тут стандартов (American National Standards Institute, ANSI) принял американ­ский стандартный код для обмена информацией (American Standard Code for Information Interchange, ASCII), который приобрел очень большую популярность. В этом коде комбинации двоичных разрядов дли­ной семь бит используются для представления строчных и прописных букв анг­лийского алфавита, знаков пунктуации, цифр от 0 до 9, а также кодов управле­ния передачей информации (перевод строки, возврат каретки и табуляция). В наше время код ASCII часто употребляется в расширенном восьмиразрядном формате, который получается посредством добавления нуля в старший конец каждого семиразрядного кода. Благодаря этому можно получить не только ко­ды, размер которых соответствует типичной однобайтовой ячейке памяти, но и 128 новых дополнительных комбинаций двоичных разрядов (которые получают­ся в результате добавления в старший конец бита со значением 1). Это позволяет представлять символы, не поддерживаемые исходной версией кода ASCII. К сожалению, из-за того, что фирмы-разработчики широко использовали собствен­ные варианты толкования этих дополнительных кодов, данные, представленные в этих кодах, оказалось не так-то просто переносить с одной программы в дру­гую, особенно если эти программы были разработаны разными фирмами.

Несмотря на то, что ASCII — это один из наиболее широко используемых кодов, сегодня растет популярность кодов с более широкими возможностями, которые способны представлять документы на разных языках. Одним из них является Unicode, который был разработан в результате объединенных уси­лий нескольких ведущих фирм-производителей программного и аппаратного обеспечения. В этом коде для представления каждого символа используется уникальная комбинация из 16 двоичных разрядов. В результате кодировка Unicode включает 65 536 различных двоичных кодов, что вполне достаточно даже для представления всех широко употребляемых китайских и японских символов. Международная организация по стандартизации (International Organization for Standardization, часто именуемая ISO, от греческого isos — одинаковый) разработала код, способный соперничать даже с кодировкой Unicode. Здесь для выражения символов используются комбинации из 32 бит, в результате чего этот код позволяет представить более 17 миллионов символов. Будущее покажет, какой из двух кодов приобретет большую популярность.

 

Представление изображений

 

Современные компьютерные приложения способны обрабатывать не только про­стейшие текстовые и цифровые данные. Помимо всего прочего, они позволяют рабо­тать с изображениями, а также с аудио- и видеоинформацией. В отличие от методов хранения символьной и числовой информации, способы представления данных в этих дополнительных форматах находятся еще на ранней стадии своего развития, а потому для них еще не существует общепризнанных стандартов.

Наиболее распространенные из существующих методов представления изо­бражений можно разделить на две большие категории: растровые методы и век­торные методы. При растровом методе изображение представляется как сово­купность точек, называемых пикселями (pixel, сокращение от picture element — элемент изображения). Говоря упрощенно, изображение кодируется в виде длинных строк битов, которые представляют ряды пикселей в изображении. При этом каждый бит равен 0 или 1, в зависимости от того, является ли соответст­вующий пиксель черным или белым. Включение информации о цвете изображе­ний лишь незначительно усложняет дело, поскольку в этом случае каждый пик­сель представляется комбинацией битов, определяющей его цвет. При растровом методе полученную комбинацию битов часто называют битовой картой (bit map), подчеркивая тот факт, что данная комбинация битов представляет собой не более чем карту или схему исходного изображения.

Большинство периферийных устройств современных вычислительных машин, например факсимильные аппараты, видеокамеры или сканеры, преобразует цветные изображения в графические файлы с растровым форматом. Чаще всего эти устройства записывают цвет каждого пикселя, раск