Внешние запоминающие устройства. Внешняя память компьютера. Магнитные накопители. Накопители на жестких дисках. Винчестер

Устройства хранения информации

Запоминающее устройство — носитель информации, предназначенный для записи и хранения данных. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям.

Устройства хранения информации делятся на 2 вида:

• внешние (периферийные) устройства
• внутренние устройства

К внешним устройствам относятся магнитные диски, CD,DVD,BD,cтримеры,жесткий диск(винчестер),а также флэш-карта. Внешняя память дешевле внутренней, создаваемой обычно на основе полупроводников. Кроме того, большинство устройств внешней памяти может переноситься с одного компьютера на другой. Главный их недостаток в том, что они работают медленнее устройств внутренней памяти.

К внутренним устройствам относятся оперативная память, кэш-память, CMOS-память, BIOS. Главным достоинством является скорость обработки информации. Но в то же время устройства внутренней памяти довольно дорогостоящи.

Накопители на жестких дисках.

Накопитель на жёстких магнитных дисках (HDD – Hard Disk Drive, винчестер) — это запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации — программ и данных. HDD обычно называют «винчестером» – так в свое время стали называть одну из первых моделей Накопителя на жёстких магнитных дисках, которая имела обозначение «30/30» и этим напоминала маркировку известного оружия.

Примечание

Возможно, также, что название происходит от места первоначальной разработки – филиала фирмы IBM в г. Винчестере (Великобритания), где впервые была применена технология создания винчестеров…

Гибкие диски

Дискета – носитель цифровой информации объемом до 2,8 МБ. Представлена подложкой, покрытой окислом с магнитными свойствами и помещённой в полимерный корпус. Данные записываются на дорожки – концентрические ячейки памяти, разделённые на секторы.

Ныне гибкие диски вытеснены другими типами памяти. Накопители на магнитных лентах применяются крайне редко в узкоспециализированных сферах, например, железнодорожные перевозки.

Жесткий диск

Винчестер или накопитель на жестких магнитных дисках — сложное устройство с записью магнитного типа для хранения данных и произвольного доступа к ним. Им оснащены практически все компьютеры. Запись происходит на жесткие стеклянные или алюминиевые пластины. Они покрыты слоем материала, имеющего ферромагнитные свойства. Диск может содержать одну или две пластины, размещенные на одной оси или шпинделе. Между ними размещены считывающие головки.

При быстром вращении шпинделя образуется поток воздуха. Следовательно, головки не касаются поверхности ферромагнетика. Расстояние между ними равно 10 нм (10^(-9) = 0,00000001 м.). Если диск не работает, то они находятся у шпинделя и не касаются магнитной поверхности. При аварийном отключении электроэнергии устройство считывания, благодаря использованию конденсаторных блоков, отводится на безопасное расстояние. Конденсаторы служат для накопления электрического заряда определенной емкости, которой хватает для правильного завершения работы винчестера.

Носитель информации находится внутри компьютера. Он совмещен с накопителем и электронной платой, которая называется вспомогательным контроллером.

Конструктивная особенность

Основными частями винчестера являются гермозона и электрическая плата (блок электроники). Первая часть состоит из корпуса (прочный сплав), считывающего механизма (головки и устройство позиционирования), дисков и двигателя шпинделя. Внутри нее отсутствует вакуумное пространство, поскольку производители наполняют область очищенным воздухом без примесей воды или азотом.

Давление выравнивается при помощи специального фильтра с мембраной для избежания деформации во время полета в самолете или перегрева. Если в гермозону попали мелкие частички, то при вращении они попадают в пылеулавливатель. Головки состоят из сплава на основе алюминия. Диски покрыты ферромагнетиком (сплав окиси железа, марганца и т. д. ) и изготавливаются из прочного металлического сплава. Фирма IBM делала их также из пластика и стекла, но модели оказались недолговечными. Количество пластин зависит от емкости устройства.

Закрепляются магнитные диски на оси, которая называется шпинделем. Она вращается со скоростью от 5200 до 15000 об/мин. Если диски еще не набрали соответствующих оборотов, то головки находятся в парковочной зоне. Вращение происходит при помощи вентильного электродвигателя. Между магнитными пластинами находится сепаратор в виде диска из пластика или алюминия. Он применяется для стабилизации потока воздуха или газа.

Устройство позиционирования — соленоидный электродвигатель малоинерционного типа. Блок электроники состоит из таких элементов: постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), буфера (памяти), блоков управляющего сигнала, интерфейса и цифровой обработки сигнала. В ПЗУ находятся информация о модели и программы, которые управляют работой блоков.

Буферная память предназначена для увеличения быстродействия. Блок управляющего сигнала принимает и обрабатывает информацию от различных датчиков (скорость вращения, противоударный акселерометр, давления, температуры, свободных падений и угловых ускорений).

Блок интерфейса осуществляет сопряжение между элементами винчестера и компьютером. Кодирование и декодирование информации осуществляется узлом цифровой обработки.

Технические характеристики

При покупке винчестера нужно обратить внимание на его характеристики, поскольку от них зависит производительность всего компьютера. К ним относятся следующие:

1. Интерфейс — взаимодействие двух независимых устройств. Бывают следующих типов: ATA, eSATA, SАТА, SCSI, SAS, FireWirе, SDIО и Fibrе СНАNNЕL.
2. Емкость — важный параметр, указывающий на количество информации, которую можно записать на носитель.
3. Геометрические параметры — размер устройства, измеряемый в дюймах.
4. Random Access Time — параметр, характеризующий время доступа к данным.
5. Частота вращения шпинделя — скорость, с которой вращается ось.
6. Средняя продолжительность наработки на отказ — параметр, показывающий время работы устройства до первого отказа.
7. Число опросов в секунду (IOPS) показывает максимальную величину элементарных операций в секунду во время записи и чтения.
8. Мощность — параметр, показывающий количество потребляемой энергии за единицу времени.
9. Скорость передачи данных — величина передачи или приема максимального блока информации за 1 секунду.
10. Объем буфера — количество памяти для уменьшения различий между операциями чтения и записи, а также последующей передачи данных по интерфейсу в RAM.

Однако следует обратить внимание на все характеристики, кроме 3, 4, 6, 7 и 9, поскольку у современных дорогих моделей они оптимальны.

Внутренняя память компьютера

Внутренней называется память, встроенная в компьютер и непосредственно управляемая процессором. Во внутренней памяти хранятся исполняемые в данный момент программы и оперативно необходимые для этого данные. Внутренняя память компьютера позволяет передавать процессору и принимать от него данные примерно с такой же скоростью, с какой процессор их обрабатывает. Поэтому внутренняя память иначе называется оперативной (быстрой). Объём оперативной памяти современных компьютеров измеряется в гигабайтах.

Электрические импульсы, в форме которых информация сохраняется в оперативной памяти, существуют только тогда, когда компьютер включён. После выключения компьютера вся информация, содержащаяся в оперативной памяти, теряется.

К внутренней памяти компьютера относится также ПЗУ — постоянное запоминающее устройтво. В нём хранится информация, необходимая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания. После выключения компьютера информация в ПЗУ сохраняется.

Оперативная память компьютера

Оперативная память (англ. RAM — Random Access Memory) — память с произвольным доступом — это быстрое запоминающее устройство, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных.

Оперативная и кэш-память является энергозависимыми — данные хранятся в них временно — до выключения электропитания компьютера, причем для динамической памяти (в отличие от статической) требуется постоянное обновление (регенерация) данных.

Наиболее распространенным типом схем памяти являются DRAM (динамическая память). В этих воспоминаниях значение каждого бита хранится в крошечном конденсаторе. Эти конденсаторы разряжаются — и очень быстро, примерно через 1 мс — поэтому их содержимое может быть потеряно. Для предотвращения этого специальные цепи периодически перезаряжают конденсаторы. Название памяти, «динамическая», происходит от этого непрерывного процесса перезарядки.

Оперативная память современного компьютера разделена на несколько типов. Хотя в основе всех типов памяти лежит обычная ячейка памяти, представляющий собой комбинацию из транзистора и конденсатора, благодаря различным внешним интерфейсам и устройствам взаимодействия с компьютером модули памяти они все же отличаются друг от друга.

Это наиболее дешевый способ производства ячеек памяти. Состояние конденсатора определяет, содержит ячейка «0» или «1», но само наличие конденсатора является причиной некоторых ограничений динамической памяти.

Заряженный конденсатор эквивалентен логической «1», разряженный — логическому «0». Однако впоследствии конденсатор разряжается, и поэтому необходимо время от времени обновлять его заряд. Необходимый для этого ток очень мал, так что нужно немного времени, чтобы конденсатор небольшой емкости был заряжен снова. Но во время этого процесса к ячейке памяти обращаться нельзя. Производители динамической памяти говорят, что подобное восстановление должно проводиться каждые 64мс. Но самая большая проблема с оперативной памятью в том, что при операции считывания из ячейки конденсатор теряет свой заряд, то есть считывание деструктивное, и ячейка после считывания информации должна быть восстановлена.

Таким образом, каждый раз при считывании информации должна проводиться и его запись. В результате увеличивается время циклического доступа, и повышается латентность.

Латентность — это простой в работе или это время, затрачиваемое на считывание из памяти одного слова данных (восьми байт) (измеряется в циклах). Чем ниже латентность оперативной памяти, тем меньше центральный процессор будет находиться в состоянии простоя. Полная латентность состоит из программной и аппаратной составляющих.

В модулях статической памяти такая проблема отсутствует. Одна ячейка статической памяти состоит из 4 транзисторов и двух резисторов, и в ячейке SRAM сохраняют данные не путем емкостной зарядки (как в DRAM), а путем переключения транзисторов в нужное состояние, подобно транзисторам в CPU. В отличие от динамической памяти — статическая память не является деструктивной. Ячейка статической памяти (кэш памяти) состоит из 4-х транзисторов и 2-х резисторов.

Массовое распространение получили следующие виды оперативной памяти DDR (уже не пользуется большим спросом), DDR2, DDR3, DDR4.

Внешний вид модулей памяти DDR, DDR2, DDR3

В каждом модуле оперативной памяти содержится также специальная микросхема SPD. В этой микросхеме хранятся данные о модуле памяти: дата изготовления модуля, основные характеристики модуля и тому подобное.

Кэш память

Персональные компьютеры также имеют скрытую память. Фактически, из-за разницы в скорости процессоров и схем основной памяти, большинство персональных компьютеров имеют два разных типа кэша, известных как «Уровень 1» (уровень 1 или L1) и «Уровень 2». Уровень 2 или L2 кэш).

L1 кэш-память

Кэш-память уровня 1 — это не что иное, как память в самом процессоре. Первым процессором, который содержал кэш-память, был Intel 80486, 8 Кб. Тогда все процессоры персональных компьютеров содержали латентную память размером до 32 Кб. Внутри кэш L1 делится на 16 или 32 байта.

Кэш L1 содержит адреса памяти, которые соответствуют данным и машинным командам. Он часто делится на два раздела для этих двух типов адресов. Машинные команды, выполняемые внутри процессора, особенно полезно кэшировать, когда процессор имеет конвейерную архитектуру, которая обрабатывает несколько команд одновременно.

Кэш-память второго уровня

Кэш уровня 2 больше по размеру, чем L1, но не так быстр, и находится на материнской плате компьютера. Как мы уже говорили, его схемы в основном состоят из статической памяти. Кэш-память уровня 2 обычно имеет размер до 1 Мб, но его максимальный размер также зависит от материнской платы.

Память DDR

Память DDR отличается от предыдущих видов памяти одним важным нововведением: теперь данные (но не адреса) можно получать и передавать два раза за такт — по убыванию и нарастающем фронтах сигнала. Для памяти DDR общепринятыми являются несколько обозначений: например DDR-266 или РС-2100.

Обозначения имеют разные смыслы: первое указывает частоту, с которой передаются данные (в нашем случае 266 МГц, при этом модуль работает на частоте 133MГц), второе — теоретическую пропускную способность модуля памяти (2100MBps). Второе обозначение используется чаще из маркетинговых соображений.

Схема передачи данных в микросхеме памяти DDR-400 (а), DDR2-800 (б), DDR3-1600 (в): Memory Cell Array — массив ячеек памяти; I / OBuffers — буфер ввода вывода данных; Data Bus — шина данных

Память DDR2

Память этого стандарта использовалась в платформе Socket 775. По сути DDR2 память не имеет кардинальных отличий от DDR. Однако в то время как DDR осуществляет две передачи данных по шине за такт, DDR2 выполняет четыре таких передачи. При этом, построена DDR2 из таких же ячеек памяти, как и DDR, а для удвоения пропускной способности используется техника мультиплексирования.

Само по себе ядро чипов памяти продолжает работать на той же самой частоте, на которой оно работало в DDR. Увеличивается только частота работы буферов ввода-вывода данных, а также расширяется шина, связывающая ядро памяти с буферами ввода/вывода данных ( I/O Buffers). На буфера ввода / вывода возлагается задача мультиплексирования. Данные, поступающие из ячеек памяти по широкой шине, уходят из них по шине обычной ширины, но с частотой, вдвое превышает частоту шины DDR. Таким способом достигается возможность очередного увеличения пропускной способности памяти без увеличения частоты работы самих ячеек памяти. То есть, фактически, ячейки памяти DDR2-400 работают с той же частотой, что ячейки памяти DDR200 или PC100 SDRAM. Однако столь простой метод увеличения пропускной способности памяти имеет и свои отрицательные стороны. В первую очередь — это рост латентности. Очевидно, что латентность не определяется ни частотой работы буферов ввода / вывода, ни шириной шины, по которой данные поступают из ячеек памяти.

Память DDR3

Передача данных по-прежнему осуществляется по обоим полупериодах синхросигнала на удвоенной «эффективной» частоте относительно собственной частоты шины памяти. Только рейтинги производительности выросли в 2 раза, по сравнению с DDR2. Типичными скоростными категориями памяти нового стандарта DDR3 являются разновидности от DDR3-800 до DDR3-1600 и выше. Очередное увеличение теоретической пропускной способности компонентов памяти в 2 раза вновь связано со снижением их внутренней частоты функционирования во столько же раз. Поэтому отныне, для достижения темпа передачи данных со скоростью 1 бит / такт по каждой линии внешней шины данных с «эффективной» частотой в 1600 МГц используемые 200-МГц микросхемы должны передавать по 8 бит данных за каждый свой такт. То есть,

Однако у данного типа памяти есть свои недостатки:

• наряду с ростом пропускной способности выросла также и латентность памяти;
• высокая цена модулей памяти.

Память DDR 4

На сегодня это основной тип памяти, который приобрел массовое применение. Первые тестовые образцы DDR4 были представлены в середине 2012 года фирмами Hynix, Micron и Samsung.

Micron выпустила первые опытные модули памяти, работающие на частоте 2400 МГц. Микросхемы от Hynix были созданы с использованием 38-нм техпроцесса. Модели работают на тактовой частоте 2400 МГц при напряжении питания 1,2 В. Подобная память может обрабатывать до 19,5 Гб данных в секунду.

Благодаря 30 нм техпроцессу память DDR4 от Samsung имела объем 8 и 16ГБ и тактовую частоту 2133 МГц. 16 ГБ планки имеют два ряда чипов памяти, в отличие от привычного одного ряда. К тому же, они располагаются на печатной плате ближе друг к другу, что позволяет вместить ее два дополнительных чипа памяти с каждой стороны. Samsung обещает, что с переходом на передовой 20 нм техпроцесс, появится возможность создания модулей памяти объемом 32 ГБ. Модули памяти DDR4 от Samsung, работают с напряжением 1,2 В, в отличие от DDR3 планок, которые работают на 1,35 В. Это небольшая разница, позволяет экономить энергию на 40%.

Рекомендации по выбору модулей памяти:

При производстве модулей памяти, как правило, одна фирма выпускает микросхемы (чипы), а другая делает сами модули (монтаж и пайка). Производителей чипов в мире насчитывается не более 10. Крупные производители чипов: Samsung, Mиcron, LG, Hynиx, Toshиba, Nec, Texas Instruments проводят тщательное тестирование готовой продукции, но полный цикл тестирования проходят далеко не все чипы. Исходя из этого, продукцию этих компаний можно условно разделить на три категории: класса А, В и С.

Первая — готовы микросхемы, прошедшие полный цикл тестирования (т.н. чипы класса A, примерно 10% от всей продукции) — считаются чипами высшего качества и самые надежные. Они также и самые дорогие, поскольку обеспечивают надежную работу в любых условиях. Эта категория чипов используется известными производителями модулей памяти.

Вторая (чипы класса B) — модули памяти с небольшими дефектами, на этапе тестирования которых были обнаружены ошибки. Эти чипы в большом количестве поставляются производителям дешевых модулей памяти, попадая затем на свободный рынок. Вполне может случиться, что модули, изготовленные на основе микросхем класса B, будут быстро и надежно работать, однако в системах, где нужна, прежде всего, надежность, подобные модули не применяются.

Третья (чипы класса C), которые вообще не тестировались производителем на скорость и надежность. Понятно, что на рынке такая продукция имеет наименьшую стоимость, поскольку вся ответственность за тестирование ложится на производителей модулей. Именно такие микросхемы используют производители дешевой памяти класса noname, а стабильность работы этих изделий вызывает большие сомнения. Надежность готового модуля памяти определяется совокупностью многих факторов. В частности, это количество слоев печатной платы (PCB), качество электронных компонентов, грамотное разведение цепей, а также технология производственного процесса. Мелкие производители модулей для снижения цены готовых изделий экономят на мелких компонентах, зачастую просто не впаянных на модуль.

Основная память на ПК организована в цепи типа SIMM или DIMM. Существуют различные виды таких схем, которые отличаются скоростью доступа к данным в памяти.

На персональном компьютере имеется кэш память на двух уровнях: первый уровень быстрее и меньше по размеру и расположен внутри процессора, а второй — на материнской плате.

Флеш-память

Флеш-память ( англ. Flash-Memory) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти.

Она может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (максимально — около миллиона циклов). Распространена флеш-память, выдерживающая около 100 тысяч циклов перезаписи — намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW .

Не содержит подвижных частей, так что, в отличие от жёстких дисков , более надёжна и компактна.

Благодаря своей компактности, дешевизне и низкому энергопотреблению флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах (рисунок 24).

Рисунок 24 – Разновидности флеш-накопителей

Флеш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором , называемых ячейками. В традиционных устройствах с одноуровневыми ячейками, каждая из них может хранить только один бит. Некоторые новые устройства с многоуровневыми ячейками могут хранить больше одного бита, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе транзистора.

В основе типа флеш-памяти NOR лежит ИЛИ-НЕ элемент ( англ. NOR), потому что в транзисторе с плавающим затвором низкое напряжение на затворе обозначает единицу.

Транзистор имеет два затвора : управляющий и плавающий. Последний полностью изолирован и способен удерживать электроны до 10 лет. В ячейке имеются также сток и исток. При программировании напряжением на управляющем затворе создаётся электрическое поле и возникает туннельный эффект . Некоторые электроны туннелируют через слой изолятора и попадают на плавающий затвор, где и будут пребывать. Заряд на плавающем затворе изменяет «ширину» канала сток-исток и его проводимость , что используется при чтении.

Программирование и чтение ячеек сильно различаются в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют достаточно большой ток при записи, тогда как при чтении затраты энергии малы.

Для стирания информации на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.

В NOR-архитектуре к каждому транзистору необходимо подвести индивидуальный контакт, что увеличивает размеры схемы. Эта проблема решается с помощью NAND-архитектуры.

В основе NAND-типа лежит И-НЕ элемент ( англ. NAND). Принцип работы такой же, от NOR-типа отличается только размещением ячеек и их контактами. В результате уже не требуется подводить индивидуальный контакт к каждой ячейке, так что размер и стоимость NAND-чипа может быть существенно меньше. Также запись и стирание происходит быстрее. Однако эта архитектура не позволяет обращаться к произвольной ячейке.

NAND и NOR-архитектуры сейчас существуют параллельно и не конкурируют друг с другом, поскольку находят применение в разных областях хранения данных.

Существуют несколько типов карт памяти, используемых в портативных устройствах:

Compact Flash — карты памяти CF являются старейшим стандартом карт флеш-памяти. Первая CF карта была произведена корпорацией SanDisk в 1994 году. Чаще всего в наши дни он применяется в профессиональном фото и видео оборудовании, так как ввиду своих размеров (43×36×3,3 мм) слот расширения для Compact Flash-карт физически проблематично разместить в мобильных телефонах или MP3-плеерах.

Multimedia Card . Карта в формате MMC имеет небольшой размер — 24×32×1,4 мм. Разработана совместно компаниями SanDisk и Siemens. MMC содержит контроллер памяти и обладает высокой совместимостью с устройствами самого различного типа. В большинстве случаев карты MMC поддерживаются устройствами со слотом SD.

MMCmicro — миниатюрная карта памяти для мобильных устройств с размерами 14×12×1,1 мм. Для обеспечения совместимости со стандартным слотом MMC необходимо использовать переходник.

SD Card ( Secure Digital Card является дальнейшим развитием стандарта MMC. По размерам и характеристикам карты SD очень похожи на MMC, только чуть толще (32×24×2,1 мм). Основное отличие от MMC — технология защиты авторских прав: карта имеет криптозащиту от несанкционированного копирования, повышенную защиту информации от случайного стирания или разрушения и механический переключатель защиты от записи.

SDHC (SD High Capacity): Старые карты SD (SD 1.0, SD 1.1) и новые SDHC (SD 2.0) (SD High Capacity) и устройства их чтения различаются ограничением на максимальную ёмкость носителя, 4 Гб для SD и 32 Гб для SD High Capacity (Высокой Ёмкости). Устройства чтения SDHC обратно совместимы с SD, то есть SD-карта будет без проблем прочитана в устройстве чтения SDHC, но в устройстве SD карта SDHC не будет читаться вовсе. Оба варианта могут быть представлены в любом из трёх форматов физических размеров (стандартный, mini и micro).

M iniSD (Mini Secure Digital Card): От стандартных карт Secure Digital отличаются меньшими размерами 21,5×20×1,4 мм. Для обеспечения работы карты в устройствах, оснащённых обычным SD-слотом, используется адаптер.

M icroSD (Micro Secure Digital Card): являются на настоящий момент самыми компактными съёмными устройствами флеш-памяти (11×15×1 мм). Используются, в первую очередь, в мобильных телефонах, коммуникаторах, и т. п., так как, благодаря своей компактности, позволяют существенно расширить память устройства, не увеличивая при этом его размеры.

Memory Stick Duo : данный стандарт памяти разрабатывался и поддерживается компанией Sony . Корпус достаточно прочный. На данный момент — это самая дорогая память из всех представленных. Memory Stick Duo был разработан на базе широко распространённого стандарта Memory Stick от той же Sony, отличается малыми размерами (20×31×1,6 мм).

Memory Stick Micro (M2): Данный формат является конкурентом формата microSD (по аналогичному размеру), сохраняя преимущества карт памяти Sony.

xD-Picture Card : используются в цифровых фотоаппаратах фирм Olympus , Fujifilm и некоторых других.