Устройства для хранения данных. Устройства ввода/вывода информации

Областное государственное бюджетное образовательное учреждение «Томский базовый медицинский колледж»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Р Е Ф Е Р А Т

 

 

 

Выполнил

 

Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск 2010 
Содержание.

 

 

Введение

В данной работе представлена тема “Устройства для хранения данных. Устройства ввода/вывода информации”

Компьютер является универсальным устройством для переработки информации. Чтобы дать компьютеру возможность переработки информации, её необходимо каким-то образом туда ввести. Для осуществления ввода информации были созданы специальные устройства – это в первую очередь клавиатура и сканер. Попадая в компьютер, информация обрабатывается и далее реализовывается возможность вывода этой информации, т.е. пользователь имеет возможность визуального восприятия данных. Для вывода информации используются монитор и принтер. После ввода и обработки информации, её можно сохранить, для чего были созданы специальные устройства, это жёсткий диск, магнитные диски и средства оптического хранения данных.

 

1. Устройства для хранения данных

В настоящее время существует два основных типа хранения данных в компьютере: магнитный и оптический. Устройства магнитного хранения широко представлены в современном компьютере – это жёсткие и гибкие диски. В них информация записывается на на магнитный вращающийся диск. В устройствах оптического хранения запись и считывание осуществляются на вращающийся диск с помощью лазерного луча, а не магнитного поля.

Хранение данных на магнитных носителях

Практически во всех персональных компьютерах информация хранится на носителях, использующих магнитные или оптические принципы. При использовании магнитных устройств хранения двоичные данные "превращаются" в небольшие металлические намагниченные частички, расположенные на плоском диске или ленте в виде "узора". Этот магнитный "узор" впоследствии может быть расшифрован в поток двоичных данных.

В этой части реферата рассматриваются принципы, основные концепции и технология магнитного хранения данных в современных компьютерах. Приведенная информация очень важна для понимания функционирования накопителей на гибких и жестких дисках и других подобных устройств. Эту часть  можно назвать прелюдией к следующим частям:

• "Накопители на жестких дисках";

•  "Хранение данных на гибких дисках";

 

История развития устройств хранения данных на магнитных носителях

Долгое время основным устройством хранения данных в компьютерном мире были перфокарты. И только в 1949 году группа инженеров и исследователей компании IBM приступила к разработке нового устройства хранения данных. Именно это и стало точкой отсчета в истории развития устройств магнитного хранения данных, которые буквально взорвали компьютерный мир. 21 мая 1952 года IBM анонсировала модуль ленточного накопителя IBM 726 для вычислительной машины IBM 701. Четыре года спустя, 13 сентября 1956 года, небольшая команда разработчиков все той же IBM объявила о создании первой дисковой системы хранения данных — 305 RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control). Эта система могла хранить 5 млн. символов (5 Мбайт!) на 50 дисках диаметром 24 дюйма (около 61 см). В отличие от ленточных

устройств хранения данных, в системе RAMAC запись осуществлялась с помощью головки в произвольное место поверхности диска. Такой способ заметно повысил производительность компьютера, поскольку данные записывались и извлекались намного быстрее, чем при использовании ленточных устройств.

Устройства магнитного хранения данных прошли путь от RAMAC до современных жестких дисков емкостью 75 Гбайт и размером 3,5 дюйма. Практически все устройства магнитного хранения данных были созданы в исследовательских центрах IBM.

 

1.1. Жёсткие диски

Самым необходимым и в то же время самым загадочным компонентом компьютера является накопитель на жестком диске. Как известно, он предназначен для хранения данных, и последствия его выхода из строя зачастую оказываются катастрофическими. Для правильной эксплуатации или модернизации компьютера необходимо хорошо представлять себе, что же это такое — накопитель на жестком диске.

Основными элементами накопителя жестком диске являются несколько круглых алюминиевых или некристаллических стекловидных пластин. В отличие от гибких дисков (дискет); их нельзя согнуть; отсюда и появилось название жесткий диск.

Накопители на жестких дисках обычно называют винчестерами. Этот термин появился в 1960-х годах, когда IBM выпустила высокоскоростной накопитель с одним несъемным и одним сменным дисками емкостью по 30 Мбайт. Этот накопитель состоял из пластин, которые вращались с высокой скоростью, и "парящих" над ними головок, а номер его разработки — 30-30. Такое цифровое обозначение (30-30) совпало с обозначением популярного нарезного оружия Winchester, поэтому термин винчестер вскоре стал применяться в отношении любого стационарно закрепленного жесткого диска.

 

Принципы работы накопителей на жестких дисках

В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с поверхности вращающихся магнитных дисков, разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый), как показано на рис.1.1.1.

В накопителях обычно устанавливается несколько дисков, и данные записываются на обеих сторонах каждого из них. В большинстве накопителей есть по меньшей мере два или три диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах), но существуют также устройства, содержащие до 11 и более дисков. Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (рис. 1.1.2).

Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или стойке. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга и двигаются только синхронно.

Частота вращения дисков 3600, 5400, 5600, 6400, 7200, 10000 об/мин и Накопители со скоростью вращения 10000 или 15 000 об/мин используются обычно только в высокоэффективных рабочих станциях или серверах.

При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются дисков. Но при выключении питания и остановке дисков они опускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка "столкнется" с диском, вращающимся "на полном ходу". Если удар будет достаточно сильным, произойдет поломка головки. Последствия этого могут быть разными — от потери нескольких байтов данных до выхода из строя всего накопителя. Поэтому в большинстве накопителей поверхности магнитных дисков легируют и покрывают специальными смазками, что позволяет устройствам выдерживать ежедневные "взлеты" и "приземления" головок, а также более серьезные потрясения.

Дорожки и секторы

Дорожка — это одно "кольцо" данных на одной стороне диска. Дорожка записи на диске слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения информации. Во многих накопителях ее емкость превышает 100 тыс. байт, и отводить такой блок для хранения небольшого файла крайне расточительно. Поэтому дорожки на диске разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами.

Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа накопителя. Например, дорожка гибких дисков может содержать от 8 до 36 секторов, а дорожка жесткого диска — от 380 до 700. Секторы, создаваемые с помощью стандартных программ форматирования, имеют емкость 512 байт, но не исключено, что в будущем эта величина изменится.

Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, в отличие от головок и цилиндров, отсчет которых ведется с нуля. Например, дискета HD (High Density) формата 3,5 дюйма (емкостью 1,44 Мбайт) содержит 80 цилиндров, пронумерованных от 0 до 79, в дисководе установлены две головки (с номерами 0 и 1), и каждая дорожка цилиндра разбита на 18 секторов (1-18).

В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс — prefix portion), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце — заключение (или суффикс — suffix portion), в котором находится контрольная сумма (checksum), необходимая для проверки целостности данных. Помимо указанных областей служебной информации, каждый сектор содержит область данных емкостью 512 байт.

Чтобы очистить секторы, в них зачастую записываются специальные последовательности байтов. Заметим, что, кроме промежутков внутри секторов, существуют промежутки между секторами на каждой дорожке и между самими дорожками. При этом ни в один из указанных промежутков нельзя записать "полезные" данные. Префиксы, суффиксы и промежутки — это как раз то пространство, которое представляет собой разницу между неформатированной и форматированной емкостями диска и "теряется" после его форматирования.

 

Основные компоненты накопителей на жестких дисках

К основным элементам конструкции типичного накопителя на жестком диске (рис.1.1.3) относятся следующие:

• диски;

• головки чтения/записи;

• механизм привода головок;

• двигатель привода дисков;

• печатная плата со схемами управления;

• кабели и разъемы;

• элементы конфигурации (перемычки и переключатели).

Диски, двигатель привода дисков, головки и механизм привода головок обычно размещаются в герметичном корпусе, который называется HDA (Head Disk Assembly — блок головок и дисков). Обычно этот блок рассматривается как единый узел; его почти никогда не вскрывают. Прочие узлы, не входящие в блок HDA (печатная плата, лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными.

 

 

 

Характеристики накопителей на жестких дисках

• Емкость.

• Быстродействие.

• Надежность.

• Стоимость.

Емкость

После того как пользователь полностью заполняет все свободное пространство текущего жесткого диска, он начитает задумываться о том, какой объем памяти будет достаточным. Вероятность того, что имеющегося пространства окажется слишком много, весьма незначительна, поэтому постарайтесь приобрести самый большой жесткий диск, который сможет вынести ваш бюджет. Современные системы используются для хранения объемных файлов различных форматов, к числу которых относятся цифровые фотографии, музыкальные записи и видеофрагменты, новейшие операционные системы, приложения и компьютерные игры.

В современных системах нехватка свободного места приводит к возникновению самых разных проблем, связанных главным образом с тем, что операционная система Windows и прикладные программы используют большой объем дискового пространства для виртуальной памяти и хранения временных файлов. Выход Windows за пределы емкости жесткого диска практически всегда приводит к неустойчивой работе системы, сбоям и потере данных.

Быстродействие

Быстродействие накопителя можно оценить по двум параметрам:

•скорости передачи данных (data transfer rate);

•среднестатистическому времени поиска (average seek time).

Скорость передачи данных

Скорость передачи данных показывает, насколько быстро выполняется запись или считывание данных, содержащихся на жестком диске. Скорость передачи данных носителя может быть выражена в виде полной скорости (максимальной или минимальной), максимальной или минимальной фактической скорости, а также в виде средней фактической скорости. Средняя скорость передачи данных считается более важной характеристикой, чем скорость передачи данных интерфейса. Это связано с тем, что средняя скорость представляет собой действительную скорость непосредственного считывания данных с поверхности жесткого диска. При этом максимальная скорость является, скорее, ожидаемой постоянной скоростью передачи данных.

Среднее время позиционирования

Среднее время позиционирования, измеряемое обычно в миллисекундах (мс), — это время, необходимое для перемещения головки от одного цилиндра к другому на какое-либо произвольное расстояние.

Среднее время позиционирования зависит непосредственно от конструкции жесткого диска. Величина среднего времени позиционирования говорит в первую очередь о возможностях механизма привода головки.

Время ожидания

Временем ожидания называется среднее время (в миллисекундах), необходимое для перемещения головки к указанному сектору после достижения головкой определенной дорожки. В среднем эта величина равна половине времени, требующегося для одного оборота жесткого диска. При увеличении частоты вращения диска вдвое время ожидания уменьшится наполовину.

Время ожидания является одним из факторов, определяющих скорость чтения и записи накопителя. Уменьшение времени ожидания  приводит к уменьшению времени доступа к данным или файлам

Среднее время доступа

Средним временем доступа к данным (в миллисекундах) называется сумма среднего времени позиционирования и времени ожидания.