(495) 234-36-61
На главную страницу блога Почта

Блог «Умные мелочи»

Весь мир в кармане — магнитные и электронные носители цифровой информации

Рубрика: (Компьютер на рабочем столе) | Автор: moderator | Дата: 27-11-2013

Метки: , , , ,

Развитие компьютерной техники и, особенно, персональных компьютеров повлияло и на развитие технологии хранения информации. О них и поговорим – о магнитных и электронных накопителях, а заодно и об устройстве микросхем электронной памяти (с производства которых, к слову, начался путь компании Intel).

В современных компьютерах применяется несколько видов накопителей, которые объединяет магнитный принцип сохранения информации. Одними из ранних типов магнитных накопителей были стримеры – многодорожечные ленточные цифровые магнитофоны, и дисководы для гибких магнитных дисков, которые, практически, уже вышли из употребления, вытесненные накопителями на основе электронной флэш-памяти. Устройство дисковода для гибких магнитных дисков (их называют дискетами) очень напоминает устройство винчестера. Отличие в том, что рабочая пластина не заключена в герметичный кожух, вращается с небольшой скоростью, а головка записи-чтения соприкасается с магнитным слоем диска. Поэтому чуть подробней рассмотрим общий принцип работы дисковых накопителей на примере винчестеров.

Компьютерный накопитель на основе жестких дисков или в винчестер – это, по сути, магнитофон, в котором в качестве носителя используется не лавсановая лента с напыленным на её поверхность слоем ферромагнитного порошка, а металлический диск. Головка записи-чтения перемещается радиально, то есть параллельно поверхности диска от центра к краю и обратно, при помощи специального рычага, отдаленно напоминающего тонарм звукоснимателя проигрывателя граммофонных пластинок. В нерабочем состоянии головка располагается  в специальной парковочной зон диска, расположенной непосредственно у центра пластины. В момент запуска процесса чтения-записи диск раскручивается, аэродинамическая сила приподнимает головку, а рычаг перемещает её  на нужное расстояние согласно командам контроллера.

Информация на поверхности пластины располагается на концентрических дорожках, представляющих собой замкнутые окружности, разделенные радиальными границами на сектора. Подобная организация позволяет очень быстро находить и считывать необходимую информацию, не изменяя скорости вращения рабочей пластины. Таким же образом организованы гибкие магнитные диски и некоторые оптические носители (например, магнитооптические). Устройства этого типа относятся к дисковым накопителям непосредственного (или иначе произвольного) доступа и обеспечивают самую высокую скорость обмена информацией. Пример другой организации – уже упомянутые потоковые ленточные накопители (стримеры), на которых информация располагается последовательно на всем протяжении ленты. Для поиска нужного фрагмента приходится многократно перематывать ленту в обоих направлениях до момента правильного позиционирования головки чтения-записи.

В компьютерных винчестерах для увеличения ёмкости применяется целый пакет рабочих пластин (отсюда вроде бы и название – пластины располагаются одна над другой, как стволы в легендарном ружье, хотя существует и другая версия происхождения этого названия накопителей на жестких магнитных дисках) и, соответственно, целый набор магнитных головок (по одной на каждую из двух поверхностей каждой пластины). При этом соосные (по вертикали) дорожки всех пластин называют цилиндрами. Перемещения головок осуществляется синхронно при помощи рычага, имеющего «многослойную» конструкцию.

Вообще, жесткий диск самое тонкое и технически сложное электромеханическое устройство компьютера. Высокоскоростной главный двигатель с особо стабильной частотой вращения приводит во вращение круглые пластины рабочих дисков. Рычаги головок, которые могут иметь поворотную или тангенциальную (шарнирную) конструкцию, приводятся в движение соленоидами. Миниатюрные магнитные головки во время рабочего цикла считывания-записи благодаря аэродинамическому эффекту Бернулли парят над поверхностью дисков на расстоянии в несколько микрон. Все это действительно тонкая, точная и очень совершенная техника. И при этом весьма долговечная – качественные винчестеры способны работать в круглосуточном режиме на протяжении 6-10 лет без сбоев и аварий.

Перейдём к микросхемам памяти. Вся электронная память подразделяется на статическую и динамическую. К статической памяти относятся постоянные запоминающие устройства или ПЗУ. Ячейки микросхемы памяти этого типа представляют собой электрические проводники. В момент записи информации электрический сигнал повреждает проводник ячейки. Таким образом, при считывании через ячейки с записанными в них логическими единицами электрический ток не проходит, а через неповрежденные, соответствующие логическим нулям, проходит беспрепятственно. Поскольку каждая ячейка имеет уникальный адрес, записанный в микросхему ПЗУ цифровой код остается неизменным в течение любого времени, а для сохранения содержимого ячейки не требуется электрического питания.

В микросхеме динамической памяти ячейки – это микроскопические электрические конденсаторы (два проводника с зазором между ними). При записи информации между проводниками ячейки накапливается электрический заряд. Наличие заряда интерпретируется контроллером памяти как логическая единица, отсутствие – как логический нуль. Поскольку конденсаторы имеют ничтожно малые, измеряемые в микронах, размеры, величина заряда очень невелика, как невелико и время его сохранения. Поэтому содержимое ячеек памяти постоянно обновляется – в соответствии с командами процессора компьютера, то есть динамически (отсюда и название). Информация в микросхеме динамической памяти сохраняется только до момента обесточивания микросхемы, то есть при выключении питания вся информация из ячеек стирается.

Микросхемы статической памяти обладают высокой надежностью хранения информации, поэтому используются там, где важна именно долговечность и надежность, например, в картриджах игровых приставок для хранения программ, в цифровой аппаратуре для хранения управляющих микропрограмм и заводских установок (в том числе и в компьютерах для хранения кода BIOS) и так далее. Микросхемы динамической памяти обладают высоким быстродействием, поэтому их применяют в качестве оперативного запоминающего устройства или ОЗУ.

Флеш-память относится к статическому энергонезависимому типу, но является при этом перезаписываемой. Ячейки флеш-памяти – это транзисторы, состояние которых можно изменить, подав на них ток определенной полярности. При этом транзистор принимает одно из двух положений – он либо закрыт и препятствует прохождению тока, либо открыт и не препятствует прохождению тока. Таким образом, формируется последовательность логических нулей и единиц. Само по себе состояние транзисторов не изменяется (только при явной подаче на ячейку электрического сигнала), поэтому при обесточивании микросхемы информация не утрачивается.

В компьютерах и любых цифровых устройствах (в карманных компьютерах, цифровых портативных плеерах, в цифровых фотоаппаратах) флеш-память работает, как обычный дисковый накопитель. То есть можно записать информацию в ячейки микросхемы, затем эту информацию считать, стереть и записать на ее место другую. По сути, микросхема флеш-памяти – это миниатюрный винчестер, в котором нет ни одной движущейся детали! Но это не означает, что флеш-память не подвержена износу. Нет, она тоже изнашивается, тоже повреждается и со временем выходит из строя. Но время это гораздо продолжительней, чем срок службы электромеханических накопителей на жестких дисках. Производители осторожно ограничивают срок службы микросхем флеш-памяти десятью годами, хотя первые чипы флеш-памяти, выпущенные в начале девяностых годов, работают исправно до сих пор.

Долговечность – не единственное преимущество флеш-памяти перед дисковыми накопителями. Поскольку в винчестерах используется технология магнитной записи, записанная на них информация может быть повреждена внешними магнитными полями. Флеш-память не боится ни магнитных полей, ни солнечного света (как оптический диск CD-R), ни каких-либо иных внешних воздействий (если они не выходят за рамки нормы – высокая температура или влажность губительна для любой электроники).

Конструктивно флеш-память выполняется в виде микросхем, которые могут устанавливаться на системные платы компьютеров, цифровых проигрывателей или в виде карт памяти. Карты памяти – тоже микросхемы, но в плоских пластиковых корпусах, оснащённых контактными площадками для подключения к разъему специального гнезда. Размеры карт флеш-памяти очень невелики, их часто сравнивают с почтовой маркой, и в этом сравнении есть смысл. Несколько карт формата SD можно запросто разместить в спичечном коробке.

Основные форматы карт флеш-памяти — это Compact Flash, Secure Digital, Multimedia Card (внешне очень похожа на предыдущую) и SmartMedia. Есть еще карты формата Memory Stick (и его модификации Pro и Duo), которые применяются в цифровой аппаратуре производства компании Sony, и несколько новых микроформатов, применяемых в сотовых телефонах. Их отличия в размерах, расположении электрических контактов (что делает карты несовместимыми, исключая SD и MMC, которые обладают обратной совместимостью – карточка MMC в слоте SD будет работать, а карта SD в слоте MMC нет) и в быстродействии. Разница в быстродействии объясняется разными способами реализации интерфейсов карт памяти и техническими параметрами самих микросхем.

Вспоминая дискеты

Рубрика: (Как рождались технологии) | Автор: moderator | Дата: 31-07-2013

Метки: , , , , , , , ,

Пятнадцать лет назад, в мае 1998 года, компьютерную индустрию потрясла маленькая революция. В американские магазины поступил новый компьютер семейства Макинтош — iMac. Компания Apple Computer под руководством только что вернувшегося из многолетнего изгнания Стива Джобса предъявила общественности дерзкую новацию. Она лишила новый компьютер гибких дисков. То есть у  компьютера iMac был оптический привод CD-ROM (позже появился привод DVD-ROM), сетевой порт Ethernet и даже встроенный 56К модем. Но привода для дискет — не было. Вместо него разработчики предложили два порта USB — первой, медленной (до 12 Мбит/сек) спецификации. То есть обмен информацией между компьютерами предполагалось вести посредством внешних накопителей.

Новация инженеров Apple вызвала заинтересованность, но при этом подверглась критике. Как переносить с компьютера на компьютер большие объёмы информации? Через внешние винчестеры? Но это же безумно дорогие устройства. Через флеш-накопители с интерфейсом USB? Но это ещё дороже. К тому же ужасно медленно и… ненадёжно. Записывая информацию на оптические носители? Но дисководы CD-R и, тем более, CD-RW были по тем временам редким и вовсе не бюджетным удовольствием. Компьютеры iMac ими не оснащались (во всяком случае, в самом начале производства), поэтому и говорить вроде было не о чем.

На самом деле выпуск компьютера iMac был призван завершить многолетнюю историю гибких дискет как основных инструментов переноса информации с компьютера на компьютер. На смену дискетам должны были прийти именно накопители на основе флеш-памяти. Так и случилось. В 2000-м году на рынке появились первые «бездискетные» компьютеры других производителей (в основном, ноутбуки и клоны эппловского моноблока iMac). И тут же пышным цветом распустилась индустрия флеш-накопителей. Параллельное развитие цифровой фотоаппаратуры и индустрии МР3-проигрывателей стимулировало разработку и производство новых носителей — карт памяти различных стандартов. И в магазинах вместе с «донглами» (то есть со «свистками» — с флеш-накопителями в компактных корпусах) появились и карточки, которые можно было использовать вместо дискет через внешние считыватели — кард-ридеры.

Дискета сопротивлялась. Быстрей всего сдалась 5-дюймовая гибкая дискета. Компактная 3,5-дюймовая держалась дольше. Но и она к середине нулевых, практически, сошла со сцены. В конце первого десятилетия ХХI века дискета умерла окончательно. Производство этих носителей крупными компаниями было прекращено.

Это была вполне бескровная и совершенно безвредная революция. Действительно, умирающие технологии должны вовремя уходить в прошлое, чтобы не мешать развитию новых. Так произошло с фотографией на основе галогенидов серебра. С аналоговой звукозаписью на граммофонные пластинки и магнитофонную плёнку. И с магнитной записью цифровой информации — на дискеты и ту же плёнку.

Попутно заметим — вместе с дискетами былое значение утратили и другие технологии, о которых мы вспоминаем с большим сожалением. Например, потоковые накопители — стримеры, которые до сих пор являются великолепными инструментами для резервного копирования важной информации. Или обладающие высочайшей надёжностью магнитооптические диски.

Ладно, это всё было. А что происходит сегодня? Что мы используем вместо дискет — для переноса информации с компьютера на компьютер, для сохранения результатов работы и для создания резервных копий документов?

Первое — флеш-накопители. Речь о тех же «донглах» и картах на основе флеш-памяти. Но и не только. К ним добавились внешние накопители SSD с интерфейсом USB. За пятнадцать лет резко возросла ёмкость накопителей. Выросло и быстродействие — особенно если сравнивать скорость записи-чтения старых накопителей и нынешних винчестеров SSD.

Правда, здесь заметна неожиданная тенденция. Ёмкость флеш-накопителей увеличивалась лишь до определённого предела. Слишком больших накопителей и карт памяти — от 128 Гигабайт до 1 Терабайта — почти нет. Действительно, «почти» — потому что они всё-таки есть, но при этом крайне дороги, а потому выпускаются в небольших количествах. То есть технических проблем для выпуска накопителей большой ёмкости на основе флеш-памяти не существует. Есть проблемы другого порядка. Подобные накопители попросту… не имеют смысла. Почему? Потому что век их прошёл, так толком и не начавшись. Наступила эпоха облачных хранилищ.

А что оптические носители? Их век тоже позади. Диски CD и DVD отошли в прошлое ещё быстрей, чем гибкие дискеты. И «повинен» в этом Интернет — высокоскоростное подключение к Глобальной сети. Сегодня скачать полнометражный фильм в DVD-качестве (то есть 4 Гигабайта информации) по каналам высокоскоростного подключения к Интернету можно за какие-то десять минут. Ёмкости встроенных в компьютер и внешних винчестеров, подключаемых через порт USB 3.0, вполне хватает, чтобы хранить фильмотеку из десятков и сотен картин. Где же здесь место кусочку пластмассы, который мы называем оптическим носителем? Стоит ли за него платить? Нам же нужен сам фильм — его цифровая копия, а вовсе не какой-то там носитель?

Сегодня для обмена информацией между компьютерами, для резервного и архивного хранения мы используем накопители на основе флеш-памяти, внешние электромеханические устройства — винчестеры и, все реже и реже, оптические накопители. Но они постепенно сходят со сцены — как это произошло с дискетами. Их вытесняют облачные хранилища. То есть сервера с удалённым доступом, которые мы используем как рядовые пользователи, как подписчики предоставляемых услуг. Мы избавлены от хлопот по содержанию этих серверов. И во многих случаях пользуемся облачными хранилищами бесплатно. Обратной стороной этой бесплатности можно считать полное отсутствие пользовательского контроля над техническим состоянием серверов. Поэтому для хранения особо важной информации «облака» не особенно годятся. Но это уже не наш случай (поскольку мы — всего лишь частные пользователи ПК, не обладающие ценными для посторонних глаз сведениями).

Пока представить себе компьютер, вовсе лишённый каких-либо накопителей, невозможно. Даже в самой совершенной и самой современной машине в качестве основного системного накопителя работает либо винчестер, либо накопитель SSD. Но что будет с компьютерами, скажем, ещё через десять лет? Не ждёт ли жёсткие диски судьба дискет? Надежность и быстродействие микросхем флеш-памяти, применяемых в SSD, тоже не безграничны. А облачные хранилища совершенствуются, становятся все надёжней и удобней…

Может, придёт время, когда все компьютеры будут работать подобно системе «тонкий клиент — сервер»? С тем существенным отличием, что конфигурация и наполнение сервера у каждого аккаунта будет индивидуальным.

 
По всем вопросам, связанным с работой сайта, обращайтесь по адресу: webmaster@elcode.ru