Внешние запоминающие устройства: виды, принципы работы, основные характеристики.

ВЗУ (внешняя память) – запоминающие устройства, предназначенные для длительного хранения информации.

Основным признаком классификации ВЗУ является тип носителя информации. Тип носителя определяет такие характеристики ЗУ, как емкость, основной режим работы, быстродействие. Энергонезависимость и сменность накопителей – это характеристики, присущие всем ВЗУ.

Основные виды ВЗУ:

• накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД);
• накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД);
• накопитель на магнитно-оптических дисках (НМОД);
• накопитель на магнитной ленте (НМЛ);
• накопитель на оптических дисках (НОД) и DVD-дисках;
• флэш-память и др.

Накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД, FDD — Floppy Disk Drive).

В НГМД используется магнитная технология записи информации. Характеристики ЗУ: режим работы – чтение-запись, небольшая емкость одного диска − 1,44 Мбайт, низкое быстродействие.

НГМД = носитель + привод.

Носителем является гибкий магнитный диск (флоппи-диск, дискета). Диск изготовлен из гибкого пластика (лавсана или майлара), покрытого ферромагнитным слоем (ферролаком). Диск защищен от механических повреждений кассетой. Привод – это совокупность электронных и механических устройств, обеспечивающих работу накопителя: двигатель, магнитные головки чтения-записи информации, механизм позиционирования головок, контроллер. Контроллер – это печатная плата со схемами управления позиционированием головок, усиления сигнала, электрического питания. Принципиальная схема НГМД показана на рис. Магнитный диск (1) вращается с по­мощью привода (2), для записи и считывания информации исполь­зуются магнитные головки (3), расположенные на рычагах, же­стко закрепленных на каретке (4). Каретка перемещается по­зиционирующим двигателем (5), смещая магнитные голов­ки с одной дорожки диска на другую.

Контактирование го­ловок чтения/записи с дискетой производится через вырезы в кор­пусе дискеты. Головка чтения/запи­си во время работы механически контактирует с поверхностью дис­кеты, что приводит к быстрому изнашиванию магнитных дисков.

Лицевая панель дисковода выведена на переднюю панель сис­темного блока, на ней располо­жены карман, закрытый шторкой, куда вставляют дискету, кнопка для извлечения дискеты и световой индикатор. Световой индикатор показывает, что уст­ройство занято (если лампочка горит, вынимать дискету не реко­мендуется).

Емкость диска зависит:

• от форм-фактора диска (5,25'' или 3,5'');
• от физической разметки диска, которая производится в процессе форматирования диска: каждая из двух сторон (поверхностей) диска разделяется на концентрические дорожки (треки), дорожки – на секторы определенного размера: ,

где t— количество дорожек на одной стороне диска; s— число секторов на дорожке; rs − емкость сектора, Кбайт.

Низкое быстродействие ЗУ определяется невысокой скоростью вращения диска – 300-360 оборотов в минуту. Диск вращается только во время считывания-записи информации.

Кроме перечисленных характеристик следует отметить низкую надежность данного ЗУ.

Производители: Epson, NEC, Panasonic, Sony, Mitsumi.

Накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД, винче­стер, HDD — Hard Disk Drive).

В НЖМД также используется магнитная технология записи информации. Характеристики ЗУ: режим работы – чтение-запись, большая емкость − десятки Гбайт, высокое быстродействие.

НЖМД = носитель + привод.

Носителем является жесткий магнитный диск (винчестер). На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, изготовленных керамики или алюминия, покрытых отполированным ферромагнитным слоем (ферролаком). Диски вместе с магнитными головками чтения-записи помещены в закрытый герметичный корпус (пакет).

Рис. Накопитель НЖМД,

а) − внешний вид; б) − внутреннее устройство

Привод – это совокупность электронных и механических устройств, обеспечивающих работу накопителя: двигатель, механизм позиционирования головок, контроллер жесткого диска. Контроллер – это печатная плата со схемами управления позиционированием головок, усиления сигнала, электрического питания. Контроллер может быть отдельной платой или платой, интегрированной (встроенной) в чипсет на материнской плате.

Дисковые пластины вращаются с постоянной скоростью, кото­рая составляет для современных НЖМД до 10000 оборотов в минуту. Чтение и запись данных осу­ществляется блоком магнитных головок (см. рис. б), которые не касаются поверхности диска и рас­положены над рабочей поверх­ностью диска на расстоянии 0,5−0,13 мкм. Запись производится на обе поверхности каждой пласти­ны (кроме крайних).

Жесткий диск герметично за­крыт, потому что даже мельчай­шие частицы пыли, попавшие между головкой и поверхностью диска, могут повредить его и при­вести к потере данных.

В накопителе может быть до десяти дисков. Их поверхность разбивается на круги, которые называются дорожками (треками − track). Ка­ждая дорожка имеет свой номер. Дорожки с одинаковыми номе­рами, расположенные одна над другой на разных дисках образу­ют цилиндр. Дорожки на диске разбиты на секторы определенного размера. Емкость жесткого диска вычисляется путем перемножения нескольких величин:

,

где cyl — количество цилиндров; h — число магнитных головок; s — количество секторов и rs — размер сектора в байтах (Кбайтах).

Секторы и дорожки образуются во время форматирования дис­ка. Форматирование выполняет пользователь с помощью специаль­ных программ. На неформатированный диск не может быть запи­сана никакая информация.

Первый сектор жесткого диска содержит информацию о разде­лах («Partition Table») — т.е., на сколько частей «разбит» жесткий диск, адрес начала и размер каждого раздела, а также какой из них является системным (с которого производится загрузка операцион­ной системы). Всего на одном физическом НЖМД может быть один или два раздела: первый (Primary) и расширенный (Extended). Рас­ширенный раздел может быть дополнительно «разбит» на несколь­ко логических дисков (Logical Drive).

Накопитель на магнитной ленте (НМЛ или стример )

Это устройство для записи, хранения и считывания данных с магнитной ленты. Стримеры работают со съемными носителями − кассетами. Недостаток стримеров связан с после­довательным доступом к магнитным лентам, что влечет большое время доступа к данным и недостаточную надежность, порождаемую повышенными механическими нагрузками.

Магнитооптические накопители (НМОД)

Во многом аналогич­ны НГМД, но отличаются более высокой емкостью. В магнитоопти­ческих дисках информация также хранится на магнитном носите­ле − дискете, но чтение и запись осуществляются оптическим способом (ла­зерным лучом), что значительно повышает сохранность носителя. Принципиальным недостатком данного устройства хранения является его высокая стоимость.

Накопители на оптических дисках (НОД)

Оптический диск (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. 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 на компакт-диск при промышленном производстве про­изводится в несколько этапов. Сначала с использованием мощного инфракрасного лазера в стеклянном контрольном диске выжигают­ся отверстия диаметром 0,8 микрон. По контрольному диску изго­тавливается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожег отверстия. В шаблон вводится жидкая смола (поликарбонат), и по­лучают диск с таким же набором впадин, что и отверстий в контрольном диске. Со стороны впадин на диск напыляется тонкий слой алюминия, который затем покрывается лаком, защищающим его от царапин.

При воспроизведении лазерный диод небольшой мощности ос­вещает диск со стороны, противоположной нанесенному слою алю­миния, который является отражателем светового луча лазера, а впадины превращаются в выступы. Впадины на диске имеют глубину, равную четверти длины волны лазера, из-за чего фотодиод, принимающий отраженный свет лазера, получает света от выступа меньше, чем от площадки.

Впадины и площадки записываются на диск по спирали (т.е., диск имеет одну дорожку). Запись начинается от центра 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). Отражающим слоем у них служит тонкий слой позолоты. Между слоем позолоты и слоем поликарбамидной смолы вводится слой красителя. На диске без записи этот слой красителя бесцветен, но под воздействием лазерного луча краситель темнеет, образуя пятна, которые при воспроизведении воспринимаются как выступы.

Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи — CD-ReWritable (CD-RW). На этих дисках слой красителя может находиться в двух состояниях: кристаллическом и аморфном. Эти два состояния имеют разную отражательную способность. Лазер устрой­ства имеет три уровня мощности. При записи мощность лазерного диода повышается и расплавляет слой красителя, переводя его в аморфное состояние с низкой отражательной способностью, что со­ответствует выступу (запись информации). При средней мощности краситель плавится и переходит в кристаллическое состояние с вы­сокой отражательной способностью (стирание информации). Низкая мощность лазера используется для считывания информации.

Дальнейшее развитие технологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи — цифро­вых универсальных диск (Digital Video 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 многослойной записи: при двух­слойной схеме записи на одну сторону диска можно записать до 8,5 Гб данных, а на диск— до 17 Гбайт.

Основной характеристикой оптических накопителей является скорость передачи данных, которая измеряется в кратных долях скорости проигрывателя аудио компакт-дисков (150 Кб/сек) и харак­теризует максимальную скорость, с которой накопитель передает данные в оперативную память компьютера. Например, 2-х скоростной CD-ROM (2x) будет считывать данные со скоростью 300 Кб/сек., 50-ти скоростной (50х) — 7500 Кб/сек.

Флэш-память

К недостаткам дисковой памяти можно отнести наличие меха­нических движущихся компонентов, имеющих малую надежность, и большую потребляемую мощность при записи и считывании. Появ­ление большого числа цифровых устройств, таких как МРЗ-плееры, цифровые фото- и видеокамеры, карманные компьютеры, потребо­вало разработки миниатюрных устройств внешней памяти, которые обладали бы малой энергоемкостью, небольшими размерами, значи­тельной емкостью и обеспечивали бы совместимость с персональны­ми компьютерами. Первые промышленные образцы такой памяти появились в 1994 г.

Новый тип памяти получил название флэш-память (Flash-memory). Флэш-память представляет собой микросхему перепрограм­мируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) с нео­граниченным числом циклов перезаписи. В ППЗУ флэш-памяти использован новый принцип записи и считывания, отличный от того, который используется в известных схемах ППЗУ. Кристалл схе­мы флэш-памяти состоит из трех слоев. Средний слой, имеющий толщину порядка 1,5 нм, изготовлен из ферроэлектрического мате­риала. Две крайние пластины представляют собой матрицу провод­ников для подачи напряжения на средний слой. При подаче напря­жения, на пересечении проводников, возникает напряжение, достаточное для изменения направления магнитного момента атомов его кристаллической решетки, расположенной под местом пересече­ния проводников. Направление магнитного поля сохраняется и после снятия внешнего электрического поля. Изменение направления магнитного поля ферроэлектрика изменяет сопротивления этого участка слоя. При считывании, на один крайний слой подается напряжение, а на втором слое замеряется напряжение, прошедшее через ферроэлектрик, которое будет иметь разное значение для участков с разным направлением магнитного момента. Такой тип флэш-памя­ти получил название FRAM (ферроэлектрическая память с произвольным доступом).

Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельного блока, содержащего микросхему флэш-памяти и контроллер, для подключения к одному из стандартных входов компьютера. Разме­ры этого блока 40 × 16× 7 мм. Флэш-память, используемая в других цифровых устройствах, имеет иные размеры и конструктивное оформление. В настоящее время объем флэш-памяти достигает нескольких Гбайт, скорость записи и считывания составляют десятки Мбайт/с.

Видеоподсистема ПК.

Видеоподсистема ПК – это комплекс технических средств, предназначенный для отображения информации.

В состав видеоподсистемы входят:

• графический адаптер;
• монитор;
• TV/FM-тюнер (может отсутствовать).

Графический адаптер (графическая карта, видеоадаптер, видеокарта, графический ускоритель) – это устройство согласования работы процессора с монитором и управления работой монитора.

Конструктивно видеокарта может быть либо интегрированной (встроенной) в чипсет, либо может представлять собой отдельную плату, которая вставляется в специальный разъем на материнской плате. На тыльной стороне видеокарты есть разъем для подключения монитора (причем к некоторым видеокартам можно подключать до трех мониторов одновременно). Появление и усложнение трехмерной (3D) графики потребовало размещения на видеокарте специализированной микросхемы – графического процессора, который берет на себя большую часть работы по формированию и обработке трехмерных образов и тем самым разгружает центральный процессор. Такую видеокарту в дальнейшем стали называть графическим ускорителем. Именно от типа графического процессора зависят производительность графического ускорителя и качество получаемого изображения. Кроме процессора видеокарта содержит и собственную оперативную память (видеопамять), объем которой всего лишь в два-четыре раза меньше объема оперативной памяти самого ПК.

Основные характеристики видеокарты:

1) Способ подключения к материнской плате.

Возможно подключение к материнской плате через шину PCI или AGP. Первый вариант широко использовался несколько лет назад применительно почти ко всем видеокартам. Однако с ростом производительности видеокарт пропускной способности шины PCI стало не хватать. На смену ей (но только для видеокарт) была разработана шина AGP (Accelerated Graphics Port – ускоренный графический порт).

2) Объем и тип видеопамяти.

Современные видеокарты имеют объем видеопамяти 32, 64, 128 или 256 мегабайт (Мбайт). Типы видеопамяти:

• SDRAM (Synchronous Dynamic RAM) – синхронная динамическая память;
• SGRAM (Synchronous Graphics RAM) – синхронная графическая память разновидность памяти SDRAM, оптимизированная для графических операций;
• DDR SDRAM (Double Data Rate SDRAM) – синхронная динамическая память с удвоенной скоростью передачи данных;
• DDR SGRAM (Double Data Rate SGRAM) – синхронная графическая память с удвоенной скоростью передачи данных.

3) Частота работы графического процессора и видеопамяти.

Следует отметить, что графический процессор и видеопамять работают на разной частоте: частота процессора – от 166 МГц, частота памяти – от 140 МГц. Чем выше частота, тем производительнее будет работать видеокарта. В некоторых видеокартах предусмотрена возможность повышения частоты («разгона») пользователем с помощью специальных драйверов. Но при этом для защиты видеокарты от перегрева может потребоваться дополнительный вентилятор.

4) Глубина цвета.

От этой характеристики видеокарты зависит количество цветов изображения, выводимых на экран монитора. Современные видеокарты поддерживают следующие режимы глубины цвета:

• Low Color – 8-разрядный цвет (256 цветов);
• High Color – 16-разрядный цвет (более 65 тысяч цветов);
• True Color – 32-разрядный цвет (более 16 миллионов цветов).

В играх чаще всего используются режимы Low Color и High Color, рабочими являются режимы High Color и True Color.

5) Разрешающая способность.

Разрешающая способность (разрешение) определяет максимальное количество точек, из которых может состоять графическое изображение. Эту характеристику описывают две величины: количество точек по горизонтали и по вертикали: 640×480, 800×600, 1024×768, 1280×1024, 1600×1200.

Монитор (дисплей) – устройство для визуального отображения информации на экране.

Виды мониторов:

1) По назначению:

· для домашнего ПК;

· для офисного ПК;

· профессиональные;

· специального назначения.

2) По воспроизведению цветов:

· монохромные (черно-белые);

· цветные.

3) По режиму работы:

· алфавитно-цифровые – могут работать только в текстовом режиме;

· графические – могут работать и в текстовом, и в графическом режиме.

4) По физическим принципам формирования изображения на экране:

· мониторы на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ);

· жидкокристаллические мониторы;

· газоплазменные мониторы;

· электролюминесцентные мониторы.

Последний принцип классификации мониторов является основным и во многом определяет характеристики монитора.

Мониторы на базе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ или Cathode Ray Tube, CRT) – это наиболее распространенный тип мониторов для ПК. Эти мониторы по принципу действия напоминают цветные телевизоры, но имеют чуть меньший размер и обладают очень четким изображением. В качестве устройства, формирующего изображение, используется ЭЛТ (кинескоп). Лицевая поверхность ЭЛТ изнутри покрыта люминофором – веществом, элементы (зерна) которого испускают свет при попадании на них разогнанных электронов. Каждая точка на экране монитора состоит из трех расположенных рядом друг с другом зерен люминофора. Каждое зерно из этой триады благодаря попаданию на него разогнанных электронов светится с определенной интенсивностью собственным цветом (красным, зеленым или синим – RGB). Общий результат свечения зерен такой триады виден человеческому глазу как цветная точка. Для того, чтобы разогнанные электроны попадали именно на те зерна триад, на которые нужно, перед ними установлен специальный металлический экран с проделанными в нем отверстиями, расположенными напротив зерен триад – маска.

Достоинства мониторов с ЭЛТ:

• невысокая стоимость;
• высокое быстродействие и хорошие цветовые возможности.

Недостатки мониторов с ЭЛТ:

• большие габариты и вес;
• высокое энергопотребление;
• «искривленная» поверхность экрана и, как следствие, геометрические искажения изображения;
• возможные проблемы с плохой фокусировкой, несведением лучей и мерцанием изображения;
• наличие разного рода вредных излучений.

Работа жидкокристаллических мониторов (Liquid Crystal Display, LCD) основана на изменении ориентации молекул жидких кристаллов (и, как следствие, изменении их оптических свойств) под воздействием внешнего электрического поля. Тонкий слой жидких кристаллов находится между двумя поляризаторами (горизонтальными и вертикальными электродами) и представляет собой матрицу миниатюрных жидкокристаллических элементов. Каждый жидкокристаллический элемент может светиться нужным цветом. В зависимости от способа управления элементами, различают мониторы с активной и пассивной матрицей. В мониторах с активной матрицей (TFT) каждый элемент имеет свой собственный управляющий транзистор. Вследствие этого изображение на TFT-мониторах способно меняться практически мгновенно. Мониторы с пассивной матрицей (DSTN) не имеют этой особенности, поэтому изображение на них меняется с «запаздыванием».

Достоинства LCD:

• малые габариты и вес;
• низкое энергопотребление;
• абсолютно плоская поверхность экрана;
• идеальная геометрия без каких-либо искажений, присущих мониторам с ЭЛТ;
• отсутствие проблем с плохой фокусировкой, несведением лучей и мерцанием изображения;
• медицинская и экологическая безопасность.

Недостатки LCD:

• высокая стоимость;
• маленький угол обзора, как по горизонтали, так и по вертикали;
• сравнительно меньшие быстродействие и цветовые возможности, чем у мониторов с ЭЛТ;
• высокая вероятность присутствия на экране одной или нескольких нефункциональных («мертвых») точек, постоянно светящихся одним цветом.

В газоплазменных мониторах между поляризаторами (горизонтальными и вертикальными электродами) находится инертный газ, области которого могут светиться под воздействием внешнего электрического поля.

Основные характеристики мониторов:

1) Размер экрана (диагональ) – это расстояние между противоположными углами монитора, измеряемое в дюймах: 15'', 17'', 19'', 20'', 21''. Следует отметить, что для мониторов с ЭЛТ размер видимого изображения почти на 1'' меньше размера, заявленного в спецификации (часть экрана скрыта под пластмассовой экранной окантовкой).

2) Шаг точки (полосы) – 0,24 − 0,28 мм. Чем меньше, тем лучше.

3) Разрешение (разрешающая способность) – максимальное количество точек, из которых может состоять графическое изображение. Эту характеристику описывают две величины: количество точек по горизонтали и по вертикали: 800×600, 1024×768, 1280×1024, 1600×1200. Разрешение монитора, прежде всего, зависит от: размера экрана, шага точки. Разрешение монитора должно соответствовать разрешению видеокарты.

4) Частота кадровой развертки – частота смены кадров на экране монитора (обновления экрана), измеряемая в герцах (Гц). Должна быть не ниже 85 Гц, чем больше, тем лучше (следует отметить, что разницу между частотами в 110 Гц и выше человеческий глаз определить не в силах). Частота кадровой развертки монитора должна соответствовать частоте работы видеокарты.

5) Стандарт безопасности – это международный стандарт, который определяет соответствие монитора: нормам допустимых излучений, безопасности, эргономики и энергосбережения. Наиболее распространенными являются следующие стандарты (перечислены в порядке ужесточения требований к безопасности):

· MPR II;

· TCO’92;

· TCO’95;

· TCO’99.

Первые в мире обоснованные стандарты безопасности монито­ров появились в Швеции. Еще в начале 80-х годов Национальный де­партамент стандартов Швеции совместно с Институтом расщепляющихся материалов разработали первую систему стандартов MRP I.

С 1990 года используется стандарт MRP II. В соответствии с MRP II уровень электростатического поля и электромагнитных из­лучений на расстоянии 50 см от монитора не должен превышать порогов, которые считаются безвредными для здоровья человека. Сегодня практически все мониторы, производимые в мире, обяза­тельно соответствуют стандарту MPR II. В MPR II также нормирова­ны следующие визуальные параметры: цвет фона и символов, яр­кость экрана и курсора, средняя яркость и ее равномерность, дрожание изображения и критическая частота мерцания, размеры и искажения символов, четкость изображения и требования к анти­бликовому покрытию экрана.

Параллельно с разработкой MPR II Шведская федерация проф­союзов (ТСО) и Национальный совет индустриального и техниче­ского развития Швеции (NUTEK) ввели систему стандартов ТСО, первым из которых был ТСО-92. В отличие от MPR II, измерение уровня вредных излучений и их ограничение ведется на расстоя­нии 30 см от экрана.

В 1995 и 1999 годах появились версии ТСО-95 и ТСО-99, рас­ширенные экологическими требованиями (см. рис.). Кроме этого, в ТСО-99 впервые было установлено обязательное требование по частоте развертки — не менее 85 Гц, а пороговые уровни излу­чений снижены на 10% по сравнению с ТСО-95. На сегодняшний день стандарт ТСО-99 считается наиболее совершенным, и поло­вина выпускающихся в мире мониторов соответствует его требо­ваниям. Дальнейшее развитие стандартов ТСО уже не связано с ужесточением требований по уровню излучений, даже в послед­ней версии — ТСО-03.

Производители мониторов: NEC, Samsung, Sony, ViewSonic, LG, Compaq, Daewoo и др.