Иерархия запоминающих устройств.Полупроводниковые, магнитные и оптические ЗУ

Структура памяти, в которой можно выделить несколько различных по характеристикам уровней, называется иерархической. При иерархической организации структуры памяти обычно каждый уровень (ступенька) памяти с большим быстродействием имеет меньшую емкость ЗУ, использующиеся на самом высоком уровне иерархии, имеют наименьшую информационную ёмкость и наибольшее быстродействие. Эту память часто называют набором регистров и иногда относят к устройствам обработки, она позволяет выполнять некоторые логические и арифметические операции.

На следующей ступени иерархии ЗУ ЭВМ находятся сверхоперативные ЗУ (СОЗУ) - устройства, имеющие быстродействие, соизмеримое с быстродействием процессора, и служащие для хранения информации (чисел и команд), которая наиболее часто встречается в процессе решения задач.

На третьей ступени иерархии находится большая быстрая память, называемая оперативной. Оперативные ЗУ (ОЗУ) имеют более значительную информационную ёмкость и работают с циклом, в несколько раз большим цикла процессора. Для увеличения скорости обмена информацией между процессором и ОЗУ последние иногда разделяют на несколько модулей (блоков или секций) и обращаются к различным блокам непосредственно или через СОЗУ.

На самом нижнем уровне иерархии находится относительно медленная, но вместительная внешняя память. Во внешнем ЗУ (ВЗУ) обычно хранится вся вводимая в машину информация. Чтобы избежать усложнения конструкции системы, к внешним ЗУ не предъявляются требования по быстродействию. ВЗУ являются наиболее экономичными для хранения больших массивов информации.

Классификация методов доступа к ЗУ

Способ организации доступа. По этому признаку различают ЗУ с непосредственным (произвольным), с прямым (циклическим) и последовательным доступом.

• Непосредственный (произвольный) доступ. В ЗУ этого типа время доступа, а поэтому и цикл обращения не зависят от места расположения элемента памяти, с которого производится считывание или в который записывается информация. В большинстве случаев это электронные ЗУ, в которых непосредственный доступ реализуется с помощью электронных логических схем. В ЗУ с произвольным доступом цикл обращения составляет от 1-2 мкс до единиц наносекунд. Независимость от положения запоминающего элемента в запоминающем массиве имеет место только до определенной частоты обращений процессора к ЗУ. При увеличении частоты обращений до единиц наносекунд начинает сказываться геометрическое положение запоминающего элемента в массиве. Это обусловлено, прежде всего, конечной скоростью распространения электрического сигнала в изолированном проводнике, которая составляет примерно 60 % от скорости света. Число разрядов, считываемых или записываемых в память с произвольным доступом параллельно во времени за одну операцию обращения, называется шириной выборки. В других типах ЗУ используют более медленные электромеханические процессы, поэтому и цикл обращения больше.
• Прямой (циклический) доступ. К ЗУ этого типа относятся устройства на магнитных, оптических и магнитооптических дисках, а также на магнитных барабанах (последние в настоящее время используются очень редко). Благодаря непрерывному вращению носителя информации возможность обращения к некоторому участку носителя для считывания или записи циклически повторяется. В таких ЗУ время доступа составляет обычно от долей секунды до единиц миллисекунды.
• Последовательный доступ. К ЗУ этого типа относятся устройства на магнитных лентах. В процессе доступа производится последовательный просмотр участков носителя информации, пока нужный участок не займет некоторое исходное положение. Время доступа в худшем случае составляет минуты, поскольку магнитофон будет вынужден осуществить перемотку всей кассеты.

Характеристики ЗУ

Важнейшие характеристики ЗУ – емкость, удельная емкость, быстродействие, которые характерны для любых типов ЗУ, а также некоторые методы их классификации.

• Емкость памяти определяется максимальным количеством данных, которые могут в ней храниться одновременно. Емкость измеряется в битах, байтах, машинных словах (об этом говорилось в самом начале курса). Используют обычно более крупные единицы измерения: 1К = 1024 (Кбит, Кбайт, Кслов), 1024 Кбайт = 1 Мбайт, 1024 Мбайт = 1 Гбайт.
• Удельная емкость определяется как отношение емкости ЗУ к его физическому объему и характеризует степень технологического совершенства ЗУ.
• Удельная стоимость определяется как отношение стоимости ЗУ к его емкости и определяет, помимо технологического совершенства конкурентоспособность изделия на рынке.
• Быстродействие памяти. Это время, необходимое на поиск нужной единицы информации и ее считывание;

Полупроводниковые, магнитные и оптические ЗУ:

• Полупроводниковые ЗУ подразделяются на ЗУ с произвольной выборкой и ЗУ с последовательным доступом. ЗУПВ подразделяются на:
1. статические оперативные запоминающие устройства (СОЗУ);
2. динамические оперативные запоминающие устройства (ДОЗУ).

ЗУ с последовательным доступом подразделяются на:

1. регистры сдвига;
2. приборы с зарядовой связью (ПЗС).
• Магнитные запоминающие устройства. Носитель информации - материальный объект, используемый для хранения информации. Накопитель - механическое устройство, управляющее записью, хранением и считыванием данных. Различают накопители на гибких магнитных дисках НГМД и накопители на жестких магнитных дисках НЖМД, накопители на оптических и магнитооптических дисках (НОД).
1. Накопитель на жестком магнитном диске НЖМД состоит из нескольких магнитных дисков МД, насаженных на один вал двигателя, вблизи которых расположены магнитные головки, связанные с механическим приводом. Информацию на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей - дорожек (треков). Цилиндр -- совокупность дорожек МД, равноудаленных от его центра. Каждая дорожка МД разбита на секторы -- области, определяемые идентификационными метками и номером. В одном секторе дорожки может быть помещено 128, 256, 512 или 1024 байта, но обычно 512 байт данных. Обмен данными между НМД и ОЗУ осуществляется последовательно целым числом секторов. Кластер -- минимальный объем размещения информации на диске, воспринимаемый операционной системой, он состоит из одного или нескольких смежных секторов дорожки. Форматирование диска -- разметка на диске дорожек и секторов, маркировка дефектных секторов, запись служебной информации.

Файл - область внешней памяти (НГМД, НЖМД, НОД), используемая для хранения массива однотипных данных (текстовых, графических, звуковых и т.д.). Каждому файлу выделяется целое число кластеров, которые могут находиться в любом месте диска, то есть необязательно быть смежными. Файлы, хранящиеся в разбросанных по диску кластерах, называют фрагментированными. Процедура перезаписи информации, при которой файлы размещаются в последовательных секторах на смежных дорожках, называется дефрагментацией диска.

1. НГМД с форм-фактором 3,5" имеют емкость 1,44 Мбайт, емкость сектора 512 байт, доступ к информации 0,1-1 c, скорость чтения/записи 50 кбайт/с. НЖМД имеет емкость 20-40 Гбайт, время доступа 1-100 мс, скорость чтения/записи 1 Мбайт/с, скорость вращения 3600 об/мин. Емкость Zip-дисков - 100 Мбайт и выше. Емкость компакт-диска CD-ROM - 700 Мбайт.
2. Накопитель на магнитной ленте (стример) состоит из лентопротяжного механизма, магнитной ленты и магнитной головки. Кассеты с магнитной лентой (картриджи) имеют емкость более 2000 Мбайт. Стримеры имеют высокую инерционность, используются для резервного копирования и архивирования информации.

В машинах-серверах и суперЭВМ применяются дисковые массивы RAID (Redundant Array of Independent Disks -- матрица с резервируемыми независимыми дисками), в которых несколько накопителей на жестких дисках объединены и образуют один большой диск.

• Оптические запоминающие устройства:

Один из первых оптических накопителей информации - видеопластинка Laservision фирмы Philips, представляла собой плексигласовый диск диаметром 20 или 30 см с тонким алюминиевым слоем, покрытым защитной пленкой из лака. При нанесении информации в алюминиевом слое делаются углубления, располагаемые вдоль дорожек, как в обычных грампластинках.

Для считывания информации применяются два различных способа:

• CAV (Constant Angular Velocity) - считывание при постоянной угловой скорости;
• CLV (Constant Linear Velocity) - считывание при постоянной линейной cкорости.

Видеокомпакт-диски (CDV - Compact Disk Video) предназначены для воспроизведения на специальном видеопроигрывателе. При диаметре диска 12 см на него наносится двадцатиминутная цифровая запись звука и шестиминутный аналоговый видеосигнал; при диаметре диска 20 см на нем содержится двадцатиминутная запись аналогового видеосигнала и цифрового звукового сопровождения; при диаметре диска 30 см емкость диска такая же, как у видеопластинки Laservision.

Компакт-диск СDROM (Compact Disk - Read Only Memory) содержит информацию только в цифровом виде. Диск имеет прозрачную поликарбонатную основу толщиной 1,2 мм и диаметром 8 или 12 см. Конструкция аналогична пластинке Laservision, работает по принципу CLV, угловая скорость изменяется от 200 до 500 оборотов в минуту. На одном дюйме по радиусу умещается 16000 дорожек (тогда как на одном дюйме флоппи-диска - всего 96). Емкость компакт-диска составляет около 650 Мбайт.

Компакт-диск CD-ROM/xA (eXtended Architecture) отличается от CD-ROM тем, что информация перед нанесением на диск подвергается сжатию. Диск может содержать двоичные коды, графику, видео, текст, аудиоданные.

Интерактивные компакт-диски CD-i (Compact-Disk - interactive) предназначены для потребительского рынка, используются без ЭВМ. Их производство основано на технологии CD ROM, но имеет более простое управление.

Диски Photo-CD (совместная разработка Philips и Kodak) предназначены для хранения в цифровом формате кино- и фотокадров. На диске размещается до 100 кадров, запись полного диска производится за один час.

Bridge-Disk выполнен по стандарту, который позволяет воспроизводить его на проигрывателе для Photo-CD, дисководе для CDROM/XA или проигрывателе для CD-I.

Компакт-диски CD-WO позволяют дозаписывать информацию за несколько сеансов. После окончательной записи создается оглавление диска. Обычное устройство для чтения CD ROM позволяет читать только первую зону CD-WO. Аналогичные возможности предоставляют компакт-диски CD-R, которые допускают дозапись информации по мере ее накопления. Компакт-диски CD-WO и CD-R могут изготовляться по различным технологиям: диск может быть покрыт чувствительным фотолаком, в котором лазер прожигает отверстия, испаряя лак; на подложку диска могут быть нанесены два слоя: один - из искусственных полимеров (имеющих малую теплоту плавления), другой - металлический. При нагревании металла лазерным лучом находящийся под ним слой полимера испаряется, что приводит к образованию пузырька в металлическом слое и, как следствие, к нетиповому отражению считывающего луча в этом месте; поверхность диска может быть покрыта слоем галий-сурьмы или индий-сурьмы, которые при воздействии на них лазерного луча расплавляются и переходят из кристаллического в аморфное состояние, что сопровождается изменением условий отражения и может быть зафиксировано считывающим лазерным лучом.

В основе магнитооптических компакт-дисков (CD-МО) лежит воздействие магнитного поля на нагретый до критической температуры материал. В результате этого изменяются отражающие свойства покрытия диска или производится его намагничивание в определенном направлении. Магнитооптические диски позволяют записывать, читать и стирать информацию. На таких дисках могут быть выделены зоны, предназначенные только для чтения или для многократной записи. CD-МО выпускаются в виде мини-дисков диаметром 2,5 дюйма в пластмассовом корпусе трехдюймовой дискеты. Как для записи, так и для воспроизведения магнитооптических дисков необходимы специальные устройства. Емкость таких дисков составляет не менее 640 Мбайт. Из них могут создаваться магнитооптические библиотеки с автоматической сменой дисков (время на смену дисков составляет несколько секунд), емкость которых измеряется сотнями Гбайт.

Флоптики - это внешние запоминающие устройства, имеющие две головки: одну - обычную, для работы с дискетами DD и HD, другую - магнитооптическую. Емкость флоптических дискет составляет 21 Мбайт. Разметка флоптической дискеты производится лучом лазера, благодаря чему дорожки плотнее располагаются друг к другу. У флоптических дискет используется тот же магнитный материал, что и у обычных дискет емкостью 2,88 Мбайт, -барий-феррит. Количество магнитооптических дорожек на одной стороне -753, поперечная плотность записи-1245 дорожек на дюйм, продольная плотность записи - 23980 бит на дюйм (для сравнения - у DD-дискет - 8717 у HD-дискет - 17434).

Поиск по сайту: