Носители на информация. Дискови устройства
Данните се записват върху носители. Носителите се записват и се четат от устройства. Всяко устройство ползва точно определен тип носители и на всеки носител му трябва точно определено устройство. Носителите, следователно и устройствата биват два типа: лента и диск. Лентовите устройства са с последователен достъп до данните, а дисковите са с пряк (директен) достъп.
Метод на запис - Съществуват три метода за записване на данни върху носителя: магнитен запис, оптичен запис и магнитно-оптичен запис. При лентите се използва само магнитният запис, докато при дисковете се използват и трите метода. Съответно различаваме: магнитна лента, магнитен диск, оптичен диск и магнито-оптичен диск.
Капацитет на информационен носител наричаме количеството данни, което може да се запише върху него. Единиците, в които се измерва капацитетът са: байт (B), килобайт (КВ), мегабайт (МВ) и гигaбайт (GВ).
1) Устройства с последователен достъп
Магнитна лента. Магнитната лента е пластмасова лента, едната повърхност на която е покрита с железен окис. Посредством магнитни полета, малки петна от покритието могат да се намагнитизират, а други да останат ненамагнитизирани. Компютърът кодира един бит с едно петно, като намагнетизираните петна са 1, а свободните - 0. Петната са подредени в редове по ширината на лентата и по колони - наричани още пътеки или канали - по дължината й. Редовете са 9, като на един ред се събират 8-те бита на един байт плюс 1 бит за четност. Битът за четност е 1, ако броят на 1-те в байта е четен и 0, ако е нечетен.
2) Устройства с пряк достъп - дискове
Името им – устройства с пряк достъп – идва от това, че във всеки един момент можем да прочетем файл с данни, намиращ се на произволно място върху диска. Тоест достъпът ни до данните е пряк. Това прави дисковите устройства много по-бързи и удобни за работа от лентовите.
А) Магнитна дискета (Floppy Disk)
Дискетата е направена от специална пластмаса с магнитно покритие. Тя е затворена в защитна пластмасова опаковка, покрита отвътре с мека материя, която намалява триенето и статичното електричество, предизвикано от въртенето.
Дискетата има две повърхности с магнитно покритие, върху които могат да се записват данни. Всяка повърхност има зона за запис, малко по-тясна от 1 инч, която е разделена на пътеки или писти, представляващи концентрични окръжности. Пътеките се номерират от 0, като най-външната е нулевата. Всяка пътека е разделена на сектори. Независимо, че дължината на обиколката на по-вътрешните пътеки е по-малка от тази на по-външните, на тях се записва същото количество данни. Когато се записват или четат данни, дискетата се върти с постоянна скорост от шпиндел, който я захваща в централния отвор. По двете повърхности, в посока към центъра и обратно се движат от стъпков двигател главите за запис/четене – по една за всяка повърхност. Капацитетът на едно дисково устройство в байтове се пресмята като произведение на:
- броя на повърхностите (главите за запис/четене);
- броя на пътеките въху една повърхност;
- броя на секторите в една пътека;
- размера на сектора (броя байтове в един сектор).
За размера на сектора е възприет стандарт от 512 байта в сектор. В персоналните компютри се използват вече само дискети с размери 3.5".
Б) Твърд диск (Hard Disk)
Принципът на работа на твърдите дискове е подобен на този на дискетите. Само че тук повърхностите са от 2 до 16, разположени на 1 до 8 диска. И двете страни на повърхностите - подложките се използват. Те са херметически затворени заедно с главите в една кутия и се въртят от общ шпиндел. Покрити са с магнитен материал, върху който се записва информацията. Тя се записва с помощта на глави, които са монтирани на т. нар. рами. Подложките се въртят под главите, така че за дадено положение на главите всяка от тях описва окръжност. Всяка окръжност под дадена глава се нарича пътечка и се дели на полета, наречени сектори. При твърдите дискове пътеките с еднакви номера на всички повърхности образуват цилиндър. Всички байтове в един сектор се четат и записват едновременно. Размерът на един сектор е 512 байта. Местоположението върху диска се описва от три числа:
- Цилиндър – показва на какво разстояние от центъра на подложката се намира рамата.
- Глава – показва коя повърхност на коя подложка се използва.
- Сектор – показва кой запис от пътечката се използва.
Освен с капацитета, другите важни характеристики на диска са свързани с производителността. Най-често използваните са:
- Скорост на въртене – това е бързината, с която подложките на диска се въртят под главите. Тази величина се измерва в обороти за минута (rpm). Скоростта на въртене при днешните устройства е между 5400 RPM и 10000 RPM. По-високата скорост на въртене е за предпочитане.
- Време за достъп – то показва колко дълго трябва да се чака от заявката за данни до получаването им. Времето за достъп при съвременните дискови устройства е между 14 и 8 милисекунди.
Скоростите на трансфер на данни се различават много. Дисковите контролери са доста по-бързи от това, което могат да постигнат дисковете. Голям принос за това има вградената кеш-памет на диска. Дисковете имат кеш-памет и малки вградени микропроцесори, които заедно позволяват много бърз трансфер между компютъра и кеш-паметта, едновременно с по-бавния трансфер между кеш-паметта и подложките на диска и обратно. Вградената кеш памет на дисковете варира от 32 КВ до 8 МВ. Кеш-паметта може да работи със скоростта на контролера и процесорът може да прочете пакети данни от диска, или пък да записва, докато работят програмите. Докато процесорът върши друга полезна работа, кеш-паметта работи с много по-бавния диск, за да завърши задачата. Употребата на кеш-памет при дисковете е по-различна, отколкото между процесора и паметта - дисковият кеш е посредник между устройства с голяма разлика в скоростите, докато кешът за паметта може да намали заявките към по-бавното устройство до нива, с които то може да се справи. Освобождаването на процесора за полезна работа, докато дисковата кеш памет буферира предаването на данни, е много важно. Поради тези взаимоотношения, увеличаването на скоростта на предаване до диска може значително да освободи процесора.
При големите компютри се използват така наречените дискови пакети. Дисковите пакети са носители от 5 до 10 диска и могат да се сменят в дискови устройства, в които са главите, шпиндела, двигателите и управляващата електроника.
Типове дискови кoнтролери
Съществуват няколко популярни стандарта за дискови контролери:
- АТ;
- IDE ( Integrated Drive Electronics);
- EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics);
- ESD (Enhanced Small Device Interface);
- SCSI (Small Computer Systems Interface).
- SATA (Serial ATA)
Тези контролери се различават по метода на запис, скорост на обмен на данни. Интерфейсът SCSI е по-скоро шина, тъй като към порт SCSI могат да се свържат верижно от 7 до 15 периферни устройства чрез една и съща интерфейсна платка.
- Integrated Drive Electronics (IDE, интегрирана електроника на устройство) – IDЕ обикновенно е по-евтина от другите възможности, а за много потребители тя би донесла същата производителност. Само че тя има по-малко възможности и ще работи по-бавно на компютър с голямо натоварване на дисковете. Процесорът върши повече работа при IDE, отколкото при SCSI, намалявайки сложността на адаптера за IDE и по този начин и цената. Поддържат се две устройства на кабел, като едното от тях е главно (Master), а другото е подчинено (Slave). Дисковият интерфейс IDE е прост, доколкото това е възможно. Той представлява дисков контролер (на устройството) с минимален набор от интерфейсна електроника за връзка с компютърната шина. Вариантът на интерфейса зависи от шината и контролера, което означава, че е необходим специализиран интерфейс за връзка между IDE и различните типове шини. Другото име на IDE е АТ Attachment или АТА. От 1999 година се появи нов стандарт на режим на работа, наречен ULTRA АТА (DМA), позволяващ много високи скорости на предаване.
- Small Computer System Interface (SCSI, интерфейс за малки компютърни системи) - SCSI е по-скъпа и устройствата за нея са също по-скъпи. Най-мощните устройства за SCSI са по-бързи и по-големи от IDE. При по-големи изисквания е необходима SCSI. За разлика от IDE, SСSI е входно - изходна шина с общо предназначение, която може да свързва голямо разнообразие от устройства по високопроизводителен начин. Устройствата, поддържани от SCSI включват:
- Дискове - въпреки, че SCSI не е ориентиран специално към дискове, повечето устройства, включени към шина SCSI са всъщност твърди дискове.
- CD-ROM - шината SCSI е пакетна, което означава, че SCSI контролерът изпраща пълни командни последователности на устройствата. Също така SCSI има общо множество от команди, включително такива като за четене и запис, които работят с повечето от свързаните устройства.
- Лентови устройства - скенери, модеми, дискови масиви, принтери, други компютри - SCSI поддържа всички тези неща без промяна на спецификацията заради някое от тях.
- SATA (Serial ATA)
Това е сравнително нов интерфейс за дискове. Той е свързан към твърдия диск чрез тънък четирижилен кабел, вместо с 40- или 80- жилен – така се борави по-лесно, а и циркулацията на въздуха в кутията ня компютъра е по-добра. Трансферната скорост е от 150 МВ/сек и може да достигне до 600 МВ/сек. Предимствата са, че твърдите дискове по-лесно се инсталират, а новите бързи чипове от контролерната система са по-евтини за произвеждане и консумират по-малко енергия. При Serial ATA се премахва и едно от ограниченията на EIDE – границата от 128 GB за капацитета на твърдия диск.
Най-известните производители на твърди дискове са фирмите: Seagate, Western Digital, Maxtor, Quantum, IBM, Samsung и др.
В) CD (Compact Disk)-ROM
Оптичен диск – Подобно на дискетите те са сменяеми и удобни за употреба. Диодните лазери могат да фокусират лъча на площ от 1 микрон, като по този начин се постига много по-висока плътност на записа в сравнение с твърдите магнитни дискове. Чрез оптическа система от призми и лещи, лазерният лъч се насочва към повърхността на диска. Точките, в които се насочва лъчът имат различни отразяващи свойства. Тези, които отразяват лъча и го връщат чрез оптическата система в светлинния сензор, се кодират като "1", а останалите като "0".
CD-ROM дискът е твърда пластмасова плоча с дебелина 1.2 mm и централен отвор за шпиндела с диаметър 15 mm. При CD-ROM записът се реализира чрез спирала отвътре навън, като записът се кодира чрез наличие на малки оптични дупки. Данните се записват върху диска чрез прогаряне на вдлъбнатини в повърхността за запис чрез прецизно фокусиран лазерен лъч. Данните започват от вътрешността на диска - най-късите пътечки, и се записват навън към периферията. Най-малката единица информация след байта се нарича кадър и съдържа 24 байта. Кадрите от своя страна се групират в блокове, които съдържат 98 кадъра. CD-ROM съхранява данните в цифров вид, затова е необходимо преобразуване в аналогов вид преди да можете да ги видите или чуете. В сечение дискът представлява отразяващ слой от алуминий, полиран отгоре и със защитнa пластмаса отдолу. Нулите и единиците се превръщат в гладки повърхности и дупки на повърхността на отразяващия слой, когато се произвежда дискът. Спиралата с данни на CD-ROM диска е дълга почти 3 мили, съдържайки единиците и нулите във вид на микроскопични дупки и гладки повърхности.
Основна спецификация на CD-ROM е скоростта на въртене. Това е коефициент, който показва колко пъти по-бързо се върти CD-ROM дискът в сравнение с обикновен аудиокомпактдиск.
Друга важна характеристика за CD-ROM е времето за достъп, което се измерва в милисекунди (ms). То е мярка за времето, необходимо, за да се достигне до конкретно място на носителя. Реалната производителност на едно CD-ROM устройство се определя от комбинацията на скоростта на въртене и времето за достъп.
В момента се произвеждат основно 3.5" и 5.25" оптически дискове с няколко стандарта за капацитета им. Най-често 3.5" оптическите дискове предлагат капацитети 210 МВ, а 5.25" дискове – 700 МВ.
Г) DVD-ROM
DVD - Digital Versatile Disk (Цифров многоцелеви диск). На един диск с размерите на CD могат да се запишат данни от 4,7GB (DVD5) до 8,5GB (DVD9), съответно при еднослоен и двуслоен, но едностранен диск. Съществуват и двустранни, еднослойни DVD - DVD10, които побират до 9,4 GB. По-рядко могат да се срещнат и двуслойни, двустранни DVD с обем 17 GB, т.нар. DVD18. DVD дискът се състои от две подложки с дебелина 0,6 мм, които залепени една за друга правят 1,2 мм, което е и дебелината на един CD диск. Всяка една от подложките на DVD диска може да носи един или два информационни слоя – оттам и разнообразието във физическата структура и обема на диска (DVD5, DVD9, DVD10, DVD18). Разликата между DVD и CD е в дълбочината на ямките, в дължината на вълната на записващия/четящия лазерен лъч и числовата апертура на обективa. В момента DVD стандартът се използва главно за разпространение на филми и мултимедия. За разлика от обикновения CD диск, DVD носителят е защитен с допълнителни технологии срещу презапис и пиратско разпространение, като DVD Region Code, CSS (Content Scrambling System) и др. Поради бума на информационния обмен са създадени нови HD-DVD (High Definition DVD) и BD (BlueRay Disc) технологии, които тепърва набират скорост.
Повечето CD-ROM и DVD-ROM устройства използват IDE или SCSI конектори, т.е. те се свързват към компютъра или чрез контролер IDE (който поддържа стандарта АТAPI) или чрез контролер SCSI. Има и външни устройства, които използват паралелен порт или връзка USB. Някои от по-новите CD-ROM и DVD-ROM устройства поддържат спецификацията IEEE 1394 и се свързват към контролер на дънната платка или използват Device Вау. Device Вау устройствата представляват външни панели, към които може да се включи твърд диск, CD-ROM и DVD- ROM.