Процесс передачи информации

Носители информации и технические средства для хранения данных

В компьютерных системах обработки информации выделяют следующие основные типы памяти: регистровая память, основная память, кэш-память и внешняя память. Кроме того, в ЭВМ могуч присутствовать различные специализированные виды памяти, характерные для тех или иных устройств вычислительной системы, например видеопамять.

Регистровая память, имеющаяся в составе процессора или дру­гих устройств ЭВМ, предназначена для кратковременного хране­ния небольшого объема информации, непосредственно участвующей в вычислениях или операциях обмена (ввода-вывода).

Основная память предназначена для оперативного хранения и обмена данными, непосредственно участвующими в процессе обработки. Конструктивно она исполняется в виде интегральных схем (ИС) и подразделяется на два вида:

■ постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);

■ оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

Кэш-память служит для хранения копий информации, используемой в текущих операциях обмена. Это очень быстрое ЗУ небольшого объема, являющееся буфером между устройствами с различ­им быстродействием. Обычно используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсацииразницы в скорости обработки информации между процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. Кэш-памятью управляет специальное устройство — контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближай­шеевремя процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как попадания, так и промахи. В случае попадания, т. е. если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает ее непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Внешняя память используется для долговременного хранения больших объемов информации. В современных компьютерных системах в качестве устройств внешней памяти наиболее часто применяются:

■ накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

■ накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

■ накопители на оптических дисках;

■ магнитооптические носители информации;

■ ленточные накопители (стримеры).

■ флэш-карты.

В отличие от элементов оперативной памяти с временем досту­па к информации в пределах наносекунд (10^-9 с) время доступа к информации для этих запоминающих устройств находится в обла­сти миллисекунд (10^-3 с).

МП не имеет непосредственного доступа к данным, находящим­ся во внешней памяти. Для обработки этих данных процессором они должны быть загружены в оперативную память (считаны в ОЗУ с внешнего носителя данных).

Основным классификационным признаком ЗУ является способ доступа к данным. По этому признаку все ЗУ делятся на ЗУ с пря­мым доступом (адресные), ЗУ с последовательным доступом (по­следовательные) и ассоциативные ЗУ

Прямой доступ реализует возможность непосредственного обращения к элементам памяти, содержащим искомую информацию или предназначенным для записи новой информации по адресу этих элементов памяти.

Последовательный доступ реализует последовательное считывание информации из ЗУ в порядке записи или в обратном порядке.

Выделяют также ассоциативный доступ, реализующий поиск информации по некоторому признаку, а не по ее расположению в памяти (адресу — при прямом доступе или месту в очереди — при последова­тельном доступе). В этом случае все хранимые в памяти слова одновременно проверяются на соответствие признаку, например на совпадение определенных полей слов (тегов — от англ. tag) с признаком, задаваемым входным словом (теговым адресом). На выход выдаются слова, удовлетворяющие признаку. Дисциплина выдачи слов, если тегу удовлетворяет несколько слов, а также дисциплина записи новых данных могут быть разными. Наиболее часто ассоциативная память в современных ЭВМ используется при кэшировании данных.

К запоминающим устройствам с прямым доступом относятся полу-проводниковые ОЗУ и ПЗУ, а также дисковые ЗУ.

Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ или RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) предназначены для хранения переменной информации: программ и данных, необходимых для текущих вычислений. По способу хранения информации ОЗУ разделяют на статические (SRAM — Static RAM) и динамические (DRAM — Dynamic RAM). В первом случае запоминающими элементами являются триггеры, сохраняющие свое состояние, пока схема находится под питанием и нет новой записи данных. Во втором — данные хранятся в виде зарядов конденсаторов, образуемых элементами МОП - структур. Саморазряд конденсаторов ведет к разрушению данных, поэтому они должны периодически (каждые несколько миллисекунд) регенерироваться.

Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ или ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используемая для хранения неизменяемых данных: подпрограмм, микропрограмм, констант и т. п. Такие ЗУ работают только в режиме многократного считывания. Постоянные запоминающие устройства можно разделить по способу их программирования нa следующие категории:

■ масочные ПЗУ, т. е. программируемые при изготовлении. Данная разновидность ПЗУ программируется однократно и не допускает последующего изменения информации;

■ программируемые постоянные запоминающие устройства(ППЗУ или PROM — Programmable ROM) — постоянные поминающие устройства с возможностью однократного электрического программирования; они отличаются от масочныхПЗУ тем, что позволяют в процессе применения микросхемы однократно изменить состояние запоминающей матрицы электрическим путем по заданной программе;

■ репрограммируемые (перепрограммируемые) постоянные запоминающие устройства (РПЗУ) — постоянные запоминающие устройства с возможностью многократного электрического перепрограммирования. Стирание хранящейся в РПЗУ старой информации перед процедурой записи новой можно осуществлять по-разному. Это делают либо с помощьюэлектрических сигналов, снимающих заряд, накопленный подзатвором (РПЗУ-ЭС — РПЗУ с электрическим стиранием, EEPROM — Electrically Erasable PROM), либо с помощью ультрафиолетового излучения (РПЗУ-УФ — РПЗУ с УФ-стиранием, EPROM — Electrically PROM). В последнем случае для этих целей в корпусе микросхемы предусматривают окно из кварцевого стекла. К памяти типа EPROM относится и flash-память. Она подобна ей по запоминающему элементу, но имеет структурные и технологические особенности, позволяющие выделить ее в отдельный вид.

Дисковые ЗУ, или накопители, представляют собой совокупность носителя и соответствующего привода и предназначены для записи, считывания и постоянного (длительного) хранения больших объемов информации. Дисковые накопители являются энергонезависимыми ЗУ.

В зависимости от типа носителя и принципов записи информации дисковые накопители подразделяются на магнитные и оптические.

Магнитные диски в качестве запоминающей среды используют магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два состояния. Информация на магнитные диски запи­сывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагом, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси. Головка считывает или записывает информацию, расположенную на концентрической окружности, которая называется дорожкой или треком. Количество дорожек на диске определяется шагом перемещения головки и зависит от технических характерис­тик привода диска и качества самого диска. За один оборот диска может быть считана информация с одной дорожки. Общее время доступа к информации на диске складывается из времени перемеще­ния головки на нужную дорожку и времени одного оборота диска. Каждая дорожка дополнительно разбивается на ряд участков - сек­торов. Сектор содержит минимальный блок информации, который может быть записан или считан с диска. Чтение и запись на диск осуществляется блоками, поэтому дисководы называют блочными устройствами

Физическая структура диска определяется количеством дорожек и числом секторов на каждой дорожке. Она задается при формати­ровании диска, которое выполняется специальными программами и должно быть проведено перед первым использованием диска для за­писи информации.

Кроме физической структуры диска, говорят еще о логической структуре диска. Логическая структура определяется файловой систе­мой, которая реализована на диске и зависит от операционной сис­темы компьютера, на котором используется данный диск. Логичес­кая структура подразумевает выделение некоторого количества секторов для выполнения служебных функций размещения файлов и каталогов на диске.

Дисководы магнитных дисков делятся на дисководы для сменных носителей (дискет) и дисководы жестких дисков (винчестеры), кото­рые устанавливаются в системном блоке компьютера. Сменные маг­нитные диски изготавливаются на основе гибкого синтетического материала, на который с обеих сторон нанесен слой магнитного ма­териала. Такие гибкие диски имеют объем хранимой информации 1,44-2,88 Мбайт. Все сменные носители на дисках, в том числе и рассмотренные далее оптические диски, характеризуются своим ди­аметром, или форм-фактором. Наибольшее распространение получи­ли гибкие магнитные диски с форм-фактором 3,5 дюйма.

Кроме гибких дисков широкое распространение получили смен­ные магнитные носители типа ZIP Использование более совершен­ной системы позиционирования головок системы привода позво­лило увеличить плотность записи, и довести его для диска с форм-фактором 3,5 дюйма до 250 Мбайт. К сожалению, диски ZIP несовместимы с обычными гибкими дисками и для их использова­ния приходится устанавливать специальный привод ZIP.

Основа жесткого диска изготавливается из сплавов алюминия или керамики, на который наносится магнитный слой. Жесткость диска позволяет увеличить плотность записи, по сравнению с гиб­ким диском. Несколько жестких дисков надеваются на одну общую ось и представляют собой пакет дисков. Такие пакеты позволяют резко увеличить объем информации, хранящейся на одном дисково­де жесткого диска.

Оптический компакт-диск (Compact Disk (CD)), который был предложен в 1982 г. фирмами Philips и Sony первоначально для запи­си звуковой информации, произвел переворот и в компьютерной тех­нике, так как идеально подходил для записи цифровой информации больших объемов на сменном носителе. Объем информации, запи­санной на компакт-диске, составляет 600—700 Мбайт. Запись на компакт-диск про­изводится с использованием мощного инфракрасного лазера. К достоин­ствам компакт-диска можно отнести и его относительную дешевиз­ну в массовом производстве, высокую надежность и долговечность, нечувствительность к загрязнению и воздействию магнитных полей.

Запись начинается от центра диска и занимает приблизительно 32 мм дис­ка. Спираль проходит 22 188 оборотов вокруг диска, ее общая длина составляет 5600 м. На всем протяжении спирали скорость записи остается постоянной, поэтому специальное устройство при воспро­изведении следит за постоянством линейной скорости, изменяя зна­чение угловой скорости вращения диска. Так, на внутренней сторо­не скорость равна 530 оборотов в минуту, а на внешней стороне скорость падает до 200 оборотов в минуту, при этом линейная ско­рость остается постоянной, равной 1,2 М/С.

В середине 90-х гг. появились устройства, устанавливаемые не­посредственно на компьютере и позволяющие производить однократ­ную запись информации на компакт-диск. Для таких устройств вы­пускают специальные компакт-диски, которые получили название CD-Recodable (CD-R). Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи - CD-ReWritable (CD-RW).

Дальнейшее развитие технологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи - цифро­вой универсальный диск Digital Versatile Disk (DVD). Впадины на них имеют меньший диаметр (0,4 микрона), а спираль размещается с плотностью 0,74 микрона между дорожками (вместо 1,6 микрон у CD). Это позволило увеличить объем информации на диске до 4,7 Гбайт. Дальнейшее увеличение объема информации обеспечива­ется применением двусторонних DVD.

Основными представителями ЗУ с последовательным доступом являются накопители на магнитных лентах, а также полупроводниковая память с дисциплиной «Первый пришел — первый вышел» (буфер FIFO — First In — First Out), стековые ЗУ, реализуют дисциплину «Последний пришел — первый вышел» (буфер LIFO — Last In — First Out), файловые и циклические ЗУ.

Разница между памятью FIFO и файловым ЗУ состоит в том, что в FIFO запись в пустой буфер сразу же становится доступной для чтения, т. е. поступает в конец цепочки. В файловых ЗУ данные поступают в начало цепочки и появляются на выходе после некоторого числа обращений, равного числу элементов в цепочке. При независимости операций считывания и записи фактическое расположение данных в ЗУ на момент считывания не связано с каким-либо внешним признаком. Поэтому записываемые данные объединяют в блоки, обрамляемые специальными символами конца и начала (файлы). Прием данных из файлового ЗУ начинается после обнаружения приемником символа начала блока.

В циклических ЗУ слова доступны одно за другим с постоянным периодом, определяемым емкостью памяти. К такому типу среди полупроводниковых ЗУ относится видеопамять (VRAM).

В ленточных магнитных накопителях данные, содержащиеся в произвольном участке ленты, могут быть считаны только после ее перемотки к этому участку.

Дата добавления: 2014-01-07