Память на магнитных и оптических носителях
Слову «память» в русском языке соответствуют два английских термина - «memory» и «storage». Первый относится к оперативной памяти, а второй – к памяти на магнитных и оптических носителях.
Память на магнитных, магнитооптических и оптических носителях предназначена для постоянного хранения информации.Здесь пойдёт речь о наиболее популярных устройствах такого типа – винчестерах, дисководах, накопителях CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-ROM, DVD-RAM, DVD+RW, DVD-R/W, MMVF, накопителях на магнитной ленте.
Винчестер
Винчестер – накопитель на жёстких дисках (Hard Disk Drive – HDD) применяется для хранения и использования больших объёмов информации. Конструкция винчестера: корпус из прессованного алюминия, управляющий двигатель,диски, головка записи / считывания и электроника.
Само название «винчестер» появилось в 1973 году, когда фирма IBM разработала ЭВМ 3340. IBM выпустила пакет из двух дисков по 30 Мбайт с маркировкой «30/30», что напоминало пользователям калибр двустволки «Винчестер 30/30». Однако, в ПК винчестеры появились только в 1983 году (объёмом 10 Мбайт, временем доступа 100 мс, скоростью передачи данных 85 Кбайт/с). Современный винчестер имеет объём от 8 Гбайт, среднее время доступа около 8 мс, скорость передачи данных от 33 Мбайт/с.
Рис. 20. Винчестер со снятой верхней панелью
Винчестер является одним из наиболее критичных для ПК компонентов. Потребности в дисковом пространстве растут более чем на 50% в год. Если DOS 5.0 требовала около 2 Мбайт места на диске, то Windows 95 – уже около 100 Мбайт. Соответственно растут и продажи: в 1996 г. было продано 105 млн. дисков, в 1997 г. - 126 млн., а в 1998 г. продажи возросли до 150 млн. штук. В 1997 г. больше всего было продано винчестеров ёмкостью 2,1 Гбайт при цене около 200 USD.
|
|
|
Модели 1999 года выпускаются основными производителями на грани технических возможностей: среднее время доступа 7-8 мс, скорость вращения до10000 об/мин. Дальнейший прогрecc в этом направлении представляется пока экономически бессмысленным – затраты на совершенствование становятся несоизмеримыми с достигаемыми результатами. Существует несколько путей преодоления этих барьеров: миниатюризация, применение магниторезистивных головок, интеграция электронных компонентов винчестера, беззаголовочное форматирование (выигрыш до 20% ёмкости диска), повышение механической прочности.
Оптимальная емкость винчестеров для настольных ПК в 1992 – 2000 гг., по проведённому нами исследованию, приведена в табл. 13.
Таблица 13
Оптимальная емкость винчестеров для настольных ПК в 1992-2000 годах
| 1992 | 1993 | 1994 | 1995 | 1996 | 1997 | 1998 | 1999 | 2000 | |
| Емкость винчестера (Мбайт) | 120 | 170 | 420 | 850 | 1280 | 2100 | 4300 | 8500 | 17000 |
|
|
|
Из табл. 13 видно, что увеличение емкости жестких дисков носит экспоненциальный характер. Построив соответствующую диаграмму, попытаемся определить прогнозные значения на 2001 и 2002 годы, при условии, что сложившаяся тенденция не потерпит существенных изменений.
Применив к полученному ряду аппроксимацию экспоненциальным трендом, получим уравнение у = = 59,928е0,6184х. Так как величина достоверности аппроксимации высока (R2 = 0,9949), то можно с высокой степенью достоверности предположить, что оптимальная емкость винчестеров составит в 2001 г. приблизительно 26 Гбайт, а в 2002 г. – 54 Гбайт.
Показатель надежности очень важен для жестких дисков. Существуют два показателя надежности жестких дисков:
1) число циклов старт / стоп (Start/Stop Cycles);
2) время наработки на отказ (Mean Time Before Failure – MTBF).
Сущность последнего показателя можно проиллюстрировать на следующем примере. Так, при эксплуатации винчестеров со средним временем между отказами 200 тыс. часов в системе из пяти накопителей, среднее время отказа уменьшается в пять раз – до 40 тыс. часов. Это означает, что с вероятностью 1% отказ произойдёт через 40000 x 0,01 = 400 часов или через 17 суток. Такой уровень надёжности неприемлем.
|
|
|
Рис. 21. Диаграмма изменения емкости винчестеров
Важной характеристикой для жёсткого диска является также скорость вращения. На современных моделях этот показатель составляет 3400-10000 об/мин.
Характерной особенностью маркировки является то, что указанная в названии модели примерная ёмкость рассчитана на миллион байт, а не мегабайт (1 Мбайт равен 1048576 байт). То есть в математическом виде это выглядит следующим образом:
• по мнению производителей винчестеров 1 Мбайт = 106 = 1 000 000 байт;
• реально, так как 1 Кбайт = 1024 байт, то 1 Мбайт = 1020 = 1048576 байт.
Жесткие диски выпускаются основными производителями с двумя интерфейсами:
• IDE (Integrated Drive Electronics) для однопользовательских систем;
• SCSI (Small Computers Systems Interface) для многозадачных операционных систем.
Винчестеры, соответствующие стандарту АТА-2, обмениваются данными со скоростью до 16,6 Мбайт/с, а винчестеры Ultra ATA-4 поддерживают скорость передачи данных в пакетном режиме до 33 Мбайт/с. Протокол передачи данных Ultra DMA/33 и Ultra DMA/66 поддерживают наборы логики на материнских платах. Интерфейс Ultra ATA/66 не только вдвое быстрее Ultra DMA /33, но и имеет большую надежность благодаря улучшенной кабельной системе и вычислению контрольных сумм при передаче данных. Накопители с новым интерфейсом будут совместимы сверху вниз с существующим интерфейсом,то есть смогут работать в нынешних ПК при скорости передачи данных до 33 Мбайт/с. Для того, чтобы достичь максимальной скорости – 66 Мбайт/с, владельцам компьютеров придется приобрести специальный кабель. Использование Ultra DMA/66 в 2000 г. стало новым отраслевым стандартом. Подчеркнем, что АТА, АТА-2, АТА-3 это официальные названия стандарта. A IDE, E-IDE, UltraATA, представляют собой маркетинговые термины, используемые исследовательскими компаниями и производителями винчестеров жестких дисков.
|
|
|
Последним этапом в развитии технологии UltraATA скорее всего станет интерфейс UltraATA/100. Дальнейшим развитием может стать интерфейс, созданный по спецификации SerialATA. SerialATA позволит в значительной степени увеличить пропускную способность интерфейсовпередачи данных.
E-IDE винчестеры не только используют режим программируемого ввода-вывода (Р10, Processor/ Programmed Input/Output), контроллер прямого доступа к памяти (DMA, Direct Memory Access), но и применяют считывание за одно прерывание нескольких стандартных секторов (Multiple Read/Write), что позволяет повысить производительность системы.
Основные параметры скорости передачи данных для IDE/EIDE-режимов (Мбайт/с) приводятся в табл. 14.
Таблица 14
Скорость передачи данных для IDE/EIDE-режимов
|
| PIO | DMA | Multiword DMA | ATA | ||||||||||
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 0 | 1 | 2 | 0 | 1 | 2 | 33 | 66 | 100 | |
| Мбайт/c | 3,3 | 5,2 | 8,3 | 11,1 | 16,6 | 2,1 | 4,2 | 8,3 | 4,2 | 13,3 | 16,6 | 33,3 | 66,7 | 100,0 |
Архитектура SCSI позволяет к стандартному контроллеру подключать до 15 внешних, возможно разнородных, устройств. Ими могут быть жесткие диски, стриммеры, сканеры и т.д. Параметры скорости передачи данных для SCSI-режимов (Мбайт/с) приводятся в табл. 15.
Таблица 15
Максимальная скорость передачи данных для различных SCSI-режимов
| SCSI | Fast SCSI | Wide SCSI | Fast Wide SCSI | Ultra SCSI | Fibre Channel | Ultral60/m SCSI | |
| Скорость передачи | 5 | 10 | 10 | 20 | 40 | 100 | 160 |
Как видно из табл. 15, винчестеры интерфейса SCSI более производительны, однако, имеют недостаток – более высокую цену. Разница в цене обусловлена необходимостью применения специальных SCSI-контроллеров, стоимость которых составляет от 50 до 500 USD. Кроме того, цена самих SCSI-дисков более чем на 100 USD выше аналогичных IDE-винчестеров.
Дальнейшим этапом развития жестких дисков с итерфейсом SCSI может стать стандарт Ultra 160/m SCSI. Основанием для такого утверждения служит тот факт, что 14 сентября 1998 г. основные ведущие производители систем хранения данных объявили о данной инициативе. Необходимостьюсовершенствования стандарта Ultra SCSI было ограничение ширины полосы передачи данных тремя накопителями на один канал, новый стандарт позволяет обойти это «узкое» место. Основные характерные особенности нового интерфейса:
• скорость передачи данных до 160 Мбайт/с,
• улучшение управляемости,
• использование автоматической проверки степени эффективности интерфейса,
• повышение надежности за счет контроля целостности данных благодаря использованию циклического кода с избыточностью (CRC),
• контроль окружения (Domain Validation),
• допускается использование кабелей длиной до 12 метров.
Дополнительнойсервисной возможностью в новом интерфейсе служит возможность использования для синхронизации данных двух фронтов сигнала «запрос/ подтверждение». На деле это означает выбор между полосой пропускания шины до 160 Мбайт/сек, с существующими Ultra2 SCSI соединительными кабелями или снижением для надежности полосы пропускания до 80 Мбайт/с.
Контроль целостности данных за счет использования циклического кода с избыточностью (CRC), как отмечалось, способствует повышению уровня надежности при передаче данных. Происходит значительное уменьшение количества необнаруженных ошибок путем использования метода аналогичного применяемому в локальных сетях на основе протокола CSMA-CD, в оптоволоконных каналах передачи данных, в FDDI.
Контроль окружения интерфейса Ultra 160/m SCSI представляет собой систему проверки подсистемы хранения данных, соединительных устройств, объединительных плат, терминаторов и т.д. При возникновении вероятности потери данных, происходит снижение скорости, точно так же, как и в современных факсмодемах.
Для оптимизации хранения информации на жестком диске проводят его разбиение на логические диски. Диск состоит из кластеров – наименьших единиц, которые может выделять файловаясистема; кластер состоит из нескольких секторов. Файлы размещаются на жестком диске с помощью соответствующей таблицы FAT (File Allocation Table). FAT с длиной элементов 16-бит поддерживает на одном логическом диске не более 65536 кластеров. Таким образом, чем больше диск, тем больше размер кластера, тем ниже эффективность использования диска. В современной литературе [23;86] приводятся размеры кластера в зависимости от размера логического диска, указанные в таблице.
| Размер логического диска (Мбайт) | Размер кластера (Кбайт) |
| От 16 до 127 | 2 |
| От 128 до 255 | 4 |
| От 256 до 511 | 8 |
| От 512 до 1023 | 16 |
| От 1024 до 2047 | 32 |
С использованием FAT-32 уменьшается размер кластера и повышается эффективность использования дискового пространства в среднем на 20%. Даже при применении винчестеров большой ёмкости размер кластера составит 4 Кбайт.
Мировая индустрия жестких дисков демонстрирует высокие показатели роста. Причиной является устойчиво растущий спрос на жесткие диски для всех типов компьютеров – от блокнотных и настольных ПК до сетевых серверов и мэйнфреймов. По опубликованным оценкам исследовательской компании Disk/Trend, объем этого рынка в 2000 г. превысит 75 млрд. USD. Если в 1996 г. было продано 105 млн. жестких дисков, то прогноз на 2000 г. – 201 млн. шт. Если в 1996 г. было больше всего продано накопителей емкостью от 1 до 2 Гбайт, то в 2000 г. наибольшим спросом будут пользоваться жесткие диски емкостью от 10 до 20 Гбайт. Бизнес жестких дисков отличается высокой конкуренциейпроизводителей. В начале 90-х годов жесткие диски производили 59 компаний, в 1996 г. их было 26, а в 1997 г. осталось только 22. На рынке настольных ПК, сетевых файл-серверов и мэйнфреймов доминирующие позиции занимают 3,5-дюймовые жесткие диски: прогноз поставок 2000 г. - 168,5 млн. шт. Аналитики Disk/Trend предполагают, что в 2000 г. для блокнотных ПК будет поставлено 26,2 млн. 2,5- и 3-дюймовых жестких дисков.
В последние годы происходит резкое падение стоимости дисковой памяти. В 1996 г. средняя оптовая цена мегабайта составляла 15 центов, а в 2000 г. она снизилась до 0,6-0,7 цента.
Лидеры рынка жестких дисков (доля рынка в 1996 г.) – Seagate – 26,8%, IBM – 24,4%, Quantum – 15,2%, Western Digital – 12,3%. Способствуют снижению цен на жесткие диски два фактора – рост объема поставок и плотности записи [97; 19].
Дисковод флоппи-дисков
Дисковод (Floppy Disk Drive – FDD) является периферийнымустройством, в котором накопителями информации являются дискеты (Floppy).
Наиболее распространены 3,5" и 5,25" дисководы. Их скорость вращения около 300 об/мин, время доступа 100 мс, скорость обмена данными –до 500 Кбайт/с. Кроме наиболее встречающихся дисководов, используют также комбинированные 3,5" и 5,25" дисководы в одном корпусе, дисководы на 2,88 Мбайта. Дискеты 3,5" имеют емкость до 1,44 Мбайт, 5,25" до 1,2 Мбайт. Дискету 5,25" можно защитить от записи, если заклеить соответствующий вырез, дискета 3,5" имеет механическую защитную задвижку.
Для того, чтобы воспользоваться дискетой, её следует отформатировать. Компьютер размещает все дорожки дискеты для точной идентификации той части диска, которая находится в текущий момент под головками чтения/записи.
На смену 1,44 Мбайт дисководам постепенно приходят устройства, например Zip, имеющие ёмкость 100 и более Мбайт. Данные устройства позволяют отказаться от отдельных контроллеров для нескольких физических устройств. Ведущие поставщики компьютерной техники включили Zip-устройства в состав конфигураций своих ПК.
Альтернативой Iomega Zip являются LS-120 (Imation), имеющие ёмкость 120 Мбайт, поддерживающие совместимость по чтению и записи со стандартными дискетами и загрузку операционной системы [216;28]. Цена дисководов LS-120 и дискет идентична продукции Iomega Zip.
Другой конкурент Zip и LS-120 – разработанный в 1998 г. дисковод HiFD (High-Capacity Floppy Disk). Такие дисководы имеют емкость 200 Мбайт, скорость передачи данных до 3,6 Мбайт/с (при угловой скорости вращения носителя 3600 об/мин), они также совместимы со стандартными 3,5"-дискетами.
Дисководы HiFD разработаны совместно корпорациями – Sony и Fuji Photo Film. Новая дискета HiFD по внешнему виду очень напоминает обычную на 1,44 Мб, которая разработана Sony ещё в 1980 г., её конструкция разработана так, чтобы попытка использования ее в обычном дисководе не привела к выходу из строя ни дискеты, ни дисковода. Подобно накопителю на жестком диске, головка в технологии HiFD парит над поверхностью пластины, что значительно снижает износ как самой головки, так и носителя. Специальная конструкция Т-образной шторки предотвращает попадание внутрь дискеты пыли. В будущем емкость дискет HiFD планируется увеличить. Согласно заявленным Sony характеристикам, HiFD будет превосходить другие аналогичные системы. В частности, по скорости передачи данных оно опережает LS-120 в семь раз, a Zip- в 2,5 раза [29;8]. К выпуску HiFD уже приступили крупнейшие производители компьютерной техники, например, фирма ТЕАС.
Характеристики современных популярных дисководов с дискетами большой ёмкости представлены в табл. 16.
Таблица 16
Сравнение характеристик дисководов Zip, LS-120 и HiFD
| Параметр | Zip | LS-120 | HiFD |
| Форматированная ёмкость (Мбайт) | 100 | 120 | 200 |
| Поддержка чтения/записи 1,44 Мбайт- дискет | Нет | Да | Да |
| Скорость передачи данных при чтении/записи (Мбайт/с) | 0,79/1,44 | - | 3,6/1,2 |
| Размер (дюймов) | 3,5 | 3,5 | 3,5 |
Дисководы CD-ROM
CD-ROM-дисководы являются сейчас стандартным комплектующим почти в каждом ПК. Широкое распространение таких устройств объясняется их низкой стоимостью (в основном до 100 USD) и большой ёмкостью (640 Мбайт). Практически все программные продукты поставляются на CD-дисках. Все компьютерные CD-ROM-дисководы совместимы с CD-Audio-дисками, которые воспроизводятся на скорости около 150 Кбайт/с. CD-ROM-диски считываются минимум с удвоенной скорости (300 Кбайт/с). Скорость передачи данных (data transfer) – важнейшая характеристика дисководов CD-ROM.
Основной путь повышения скорости CD-ROM увеличение скорости вращения шпинделя. Дисководы CD-ROM пришли из мира музыкальной техники, где требовалась постоянная скорость передачи данных независимо от того, с каких областей диска в данный момент производится считывание – с внешних или внутренних. Поскольку платность записи везде одинакова, поддерживать передачу данных в постоянном темпе можно только увеличивая скорость вращения при приближении к центру диска. В настоящее время разные компании применяют различный подход к определению скорости своих дисководов CD-ROM [10;123]. Большинство фирм исходит из показателя максимальной скорости передачи данных. К примеру, если для CD-ROM Acer этот показатель достигает 4800 Кбайт/с, то дисковод маркируется как «32х max».
Максимальная скорость передачи данных у дисководов «20х max» и более быстрых достигается лишь на дорожках, записанных ближе к внешнему краю диска. Например, дисководы «24х max» работают на внутренних дорожках приблизительно при скорости, аналогичной «10х» [221; 102]. А если учесть, что не каждый CD-ROM-диск записан полностью, то реальное быстродействие таких дисководов соответствует в среднем быстродействию 14-16-скоростных CD-ROM с постоянной скоростью передачи данных.
В современной литературе часто не делается никакого различия между временем доступа и поиска в CD-ROM. На самом деле это две разные характеристики и, хотя время поиска – составная часть времени доступа, связаны эти две величины не жестко. Второй составной частью среднего времени доступа является средняя задержка (average latency), которая зависит исключительно от угловой скорости вращения и равна половине времени, требуемого для полного оборота диска. В современных дисководах CD-ROM вследствие огромной скорости вращения шпинделя, сравнимой с показателями средних жестких дисков, вклад средней задержки в общее время доступа заметно уменьшился по сравнению с 2-х скоростными устройствами, но и теперь пренебрегать им не следует: скажем, дисковод CD-ROM со временем доступа 90 мс при прочих равных условиях, скорее всего, будет предпочтительнее устройства со временем поиска 80 мс. Еще один неизбежный источник замедления доступа связан со временем, требуемым для коррекции ошибок, причем, в отличие от предыдущей составляющей времени доступа, оно не так легко предсказуемо [10;123]. Выясняя эти характеристики, сложно пользоваться паспортными данными, так как данные разных производителей могут быть просто несопоставимы. Объективные сведения могут быть получены только сравнительным тестированием специализированными пакетами.
Дисководы CD-ROM производятся двух классов – с загрузкой CD-диска в выдвижной лоток или специальную кассету. Кроме того, для многих пользователей важно наличие ряда дополнительных кнопок на панели CD-ROM для прослушивания аудиодисков без специализированного ПО.
Как и винчестеры дисководы CD-ROM производятся с интерфейсами IDE и SCSI. При этом для SCSI CD-ROM характерен ряд достоинств и недостатков, как и для SCSI HDD.
Среди производителей дисководов можно отметить: Acer, Aztech, Elitegroup, Hitachi, Matsushita, Philips, Pioneer, Plextor, Sony, Techmedia, Teac, Wearnes.
ДисководыCD-R
Ещё не так давно CD-R – устройство для записи компакт-дисков стоило слишком дорого и было настолько неудобным, что применять его в работе было нецелесообразно. Однако, за достаточно короткое время производители устранили ряд существенных недостатков, и сегодня для таких накопителей характерны низкая стоимость и значительная функциональность. Всё это заставляет обратить внимание на данный класс устройств. При стоимости накопителя 100 USD диски с возможностью однократной записи стоят менее 1 USD. Дисковод для перезаписываемых дисков CD-RW стоит приблизительно на 100 USD дороже, чем CD-R, но при этом пользователь получает возможность многократно записывать и стирать информацию. Перезаписывать информацию можно не менее 1000 раз на дисках стоимостью около 2 USD.
У дисководов CD-R или CD-RW много общего с CD-ROM, но есть и ряд особенностей:
• больший объём буферной памяти (1-2 Мбайт);
• меньшая скорость передачи данных при работе с дисками CD-ROM (4-6х);
• только дисководы CD-ROM стандарта Multiread «читают» диски CD-RW;
• чистые диски CD-R и CD-RW должны поддерживать скорость записи соответствующего устройства.
Специалистылаборатории PC Labs провели испытания 14 накопителей CD-R и 10 –типа CD-RW. Комплекс тестов был разработан таким образом, чтобы выявить различие возможностей разных комплектов, функционирующихпод управлением Windows 95. Специалисты определяли, насколько хорошо сможет каждая система записывать на диски большие объемы информации, когда количество файлов исчисляется тысячами, в формате CD-ROM XA (Режим 2, Форма 1), выполнять запись пакетами (при наличии подобной возможности), копировать аудиозаписи, копировать стандартные компакт-диски, осуществлять запись в фоновом режиме одновременно с выполнением типичных операций в среде приложений. Тест 300МВ Data Archive определяет время, которое необходимо накопителю на запись каталогов сложной структуры, содержащих 16045 тестовых файлов различных размеров и типов, фрагментированных для того, чтобы имитировать обычную ситуацию. Тест Packet-Writing Backup, в котором используется та же структура файлов, служитдля оценки способности накопителя создавать резервные копии больших групп файлов с помощью программного обеспечения для записи пакетами. Тест CD-Copy измеряет время, необходимое для изготовления точной копии эталонного игрового компакт-диска, причем в качестве источника применяется накопитель CD-ROM, имеющийся на нашей испытательной установке. На тестах производительности накопителей CD-ROM – ZD CD-ROM Access Time, CD-ROM WinMark 98 и CD-ROM CPU Utilization – выполняются точные измерения быстродействия при чтении стандартного компакт-диска, помещенного в накопители CD-R и CD-RW [167;56-57]. Результаты тестов представлены в табл. 17.
Таблица 17
| Ù Лучшему показателю соответствует большее значение Ú Лучшему показателю соответствует меньше значение
| Тесты записи | Тесты чтения
 Мы поможем в написании ваших работ! | |||||||