Шестнадцатеричная система счисления

 

При обсуждении внутренних процессов компьютера нам придется иметь дело со строками битов, некоторые из которых могут оказаться достаточно длинны­ми. К сожалению, человек с трудом оперирует подобными величинами. Даже простое воспроизведение комбинации 101101010011 кажется утомительной зада­чей и подвержено ошибкам. Поэтому для упрощения представления комбинаций двоичных разрядов обычно, используется упрощенная система записи, которая называется шестнадцатеричной нотацией, поскольку построена на шестнадцатеричной системе счисления. Особенность этой нотации состоит в том, что двоич­ные комбинации в машине обычно представляются группами из двоичных раз­рядов, длина которых кратна четырем. Это означает, что, поскольку в шестнадцатеричной нотации каждый символ используется для представления четырех битов, строку из двенадцати битов можно представить всего лишь тремя шестнадцатеричными символами.

На рис. 1.6 изображена схема шестнадцатеричной системы кодирования. В левом столбце показаны все возможные комбинации битов для строк длиной че­тыре двоичных разряда, а в правом приведен соответствующий символ, используемый в шестнадцатеричной системе счисления для представления комбинации битов из левого столбца. Согласно этой системе кодирования, двоичный код 10110101 может быть представлен как В5. Этот результат был получен путем раз­деления исходной двоичной комбинации на подгруппы длиной четыре бита и замены каждой такой группы ее шестнадцатеричным эквивалентом. Комбинация 1011 представлена буквой В, а комбинация 0101 — цифрой 5. Таким же способом 16-битовая строка 1010010011001000 может быть представлена в более удобной форме: А4С8.

Рис 1.6

 

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.