Носители данных магнитные и оптические. Магнитные и оптические носители информации и возможность их использования в практике организаций. Накопители на жестких магнитных дисках

Накопители на магнитных и оптических носителях

Накопители на гибких магнитных дисках: принцип действия, технические характеристики, основные компоненты. Накопители на жестких магнитных дисках: форм-факторы, принцип работы, типы, основные характеристики, режимы работы. Конфигурирование и форматирование магнитных дисков. Утилиты обслуживания жестких магнитных дисков. Логическая структура и формат магнитооптических и компакт-дисков. Приводы CD-R (RW), DVD-R (RW), ZIP: принцип действия, основные компоненты, технические характеристики. Магнитооптические накопители, стримеры, флэш-диски. Обзор основных современных моделей.

Студент должен знать:

• принцип действия и основные компоненты дисковода FDD;
• характеристики и режимы работы накопителя на жестких магнитных дисках;
• принцип работы приводов магнитооптических и компакт-дисков;
• форматы оптических и магнитооптических дисков;

Студент должен уметь:

• записывать информацию на различные носители;
• использовать программные средства технического обслуживания жесткого диска;
• определять основные характеристики накопителей;

Цели занятия:

• – ознакомить студентов с основными компонентами накопителями информации.
• – изучить типы накопителей информации их характеристики.
• – воспитание информационной культуры учащихся, внимательности, аккуратности, дисциплинированности, усидчивости.
• – развитие познавательных интересов, навыков самоконтроля, умения конспектировать.

Теоретическая часть.

Хранение данных на магнитных носителях

Практически во всех персональных компьютерах информация хранится на носителях, использующих магнитные или оптические принципы. При использовании магнитных устройств хранения двоичные данные “превращаются” в небольшие металлические намагниченные частички, расположенные на плоском диске или ленте в виде “узора”. Этот магнитный “узор” впоследствии может быть расшифрован в поток двоичных данных.

В основе работы магнитных носителей - накопителей на жестких и гибких дисках - лежит электромагнетизм. Суть его состоит в том, что при пропускании через проводник электрического тока вокруг него образуется магнитное поле (рис. 1). Это поле воздействует на оказавшееся в нем ферромагнитное вещество. При изменении направления тока полярность магнитного поля также изменяется. Явление электромагнетизма используется в электродвигателях для генерации сил, воздействующих на магниты, которые установлены на вращающемся валу.

Однако существует и противоположный эффект: в проводнике, на который воздействует переменное магнитное поле, возникает электрический ток. При изменении полярности магнитного поля изменяется и направление электрического тока (рис. 2).

Головка чтения/записи в любом дисковом накопителе состоит из U-образного ферромагнитного сердечника и намотанной на него катушки (обмотки), по которой может протекать электрический ток. При пропускании тока через обмотку в сердечнике (магнитопроводе) головки создается магнитное поле (рис. 3). При переключении направления протекающего тока полярность магнитного поля также изменяется. В сущности, головки представляют собой электромагниты, полярность которых можно очень быстро изменить, переключив направление пропускаемого электрического тока.

Рис. 2. При перемещении проводника в магнитном поле в нем генерируется электрический ток
Рис. 3. Головка чтения/записи

Магнитное поле в сердечнике частично распространяется в окружающее пространство благодаря наличию зазора, “пропиленного” в основании буквы U. Если вблизи зазора располагается другой ферромагнетик (рабочий слой носителя), то магнитное поле в нем локализуется, поскольку подобные вещества обладают меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух. Магнитный поток, пересекающий зазор, замыкается через носитель, что приводит к поляризации его магнитных частиц (доменов) в направлении действия поля. Направление поля и, следовательно, остаточная намагниченность носителя зависят от полярности электрического поля в обмотке головки.

Гибкие магнитные диски обычно делаются на лавсановой, а жесткие - на алюминиевой или стеклянной подложке, на которую наносится слой ферромагнитного материала. Рабочий слой в основном состоит из окиси железа с различными добавками. Магнитные поля, создаваемые отдельными доменами на чистом диске, ориентированы случайным образом и взаимно компенсируются на любом сколько-нибудь протяженном (макроскопическом) участке поверхности диска, поэтому его остаточная намагниченность равна нулю.

Если участок поверхности диска при протягивании вблизи зазора головки подвергается воздействию магнитного поля, то домены выстраиваются в определенном направлении и их магнитные поля больше не компенсируют друг друга. В результате на этом участке появляется остаточная намагниченность, которую можно впоследствии обнаружить. Выражаясь научным языком, можно сказать: остаточный магнитный поток, формируемый данным участком поверхности диска, становится отличным от нуля.

Конструкции головок чтения/записи

По мере развития технологии производства дисковых накопителей совершенствовались и конструкции головок чтения/записи. Первые головки представляли собой сердечники с обмоткой (электромагниты). По современным меркам их размеры были огромными, а плотность записи - чрезвычайно низкой. За прошедшие годы конструкции головок прошли долгий путь развития от первых головок с ферритовыми сердечниками до современных типов.

Чаще всего используются головки следующих четырех типов:

• ферритовые;
• с металлом в зазоре (MIG);
• тонкопленочные (TF);
• магниторезистивные (MR);
• гигантские магниторезистивные (GMR).
• Ферритовые головки

Классические ферритовые головки впервые были использованы в накопителе Winchester 30-30 компании IBM. Их сердечники делаются на основе прессованного феррита (на основе окиси железа). Магнитное поле в зазоре возникает при протекании через обмотку электрического тока. В свою очередь, при изменениях напряженности магнитного поля вблизи зазора в обмотке наводится электродвижущая сила. Таким образом, головка является универсальной, т.е. может использоваться как для записи, так и для считывания. Размеры и масса ферритовых головок больше, чем у тонкопленочных; поэтому, чтобы предотвратить их нежелательные контакты с поверхностями дисков, приходится увеличивать зазор.

За время существования ферритовых головок их первоначальная (монолитная) конструкция была значительно усовершенствована. Были разработаны, в частности, так называемые стеклоферритовые (композитные) головки, небольшой ферритовый сердечник которых установлен в керамический корпус. Ширина сердечника и магнитного зазора таких головок меньше, что позволяет повысить плотность размещения дорожек записи. Кроме того, снижается их чувствительность к внешним магнитным помехам.

• Головки с металлом в зазоре

Головки с металлом в зазоре (Metal-In-Gap - MIG) появились в результате усовершенствования конструкции композитной ферритовой головки. В таких головках магнитный зазор, расположенный в задней части сердечника, заполнен металлом. Благодаря этому существенно уменьшается склонность материала сердечника к магнитному насыщению, что позволяет повысить магнитную индукцию в рабочем зазоре и, следовательно, выполнить запись на диск с большей плотностью. Кроме того, градиент магнитного поля, создаваемого головкой с металлом в зазоре, выше, а это означает, что на поверхности диска формируются намагниченные участки с более четко выраженными границами (уменьшается ширина зон смены знака).

Эти головки позволяют использовать носители с большой коэрцитивной силой и тонкопленочным рабочим слоем. За счет уменьшения общей массы и улучшения конструкции такие головки могут располагаться ближе к поверхности носителя.

Головки с металлом в зазоре бывают двух видов: односторонние и двусторонние (т.е. с одним и с двумя металлизированными зазорами). В односторонних головках прослойка из магнитного сплава расположена только в заднем (нерабочем) зазоре, а в двусторонних - в обоих. Слой металла наносится методом вакуумного напыления. Индукция насыщения магнитного сплава примерно вдвое больше, чем у феррита, что, как уже отмечалось, позволяет осуществлять запись на носители с большой коэрцитивной силой, которые используются в накопителях высокой емкости. Двусторонние головки в этом отношении лучше односторонних.

• Тонкопленочные головки

Тонкопленочные (Thin Film - TF) головки производятся почти по той же технологии, что и интегральные схемы, т.е. путем фотолитографии. На одной подложке можно “напечатать” сразу несколько тысяч головок, которые получаются в результате маленькими и легкими.

Рабочий зазор в тонкопленочных головках можно сделать очень узким, причем его ширина регулируется в процессе производства путем наращивания дополнительных слоев немагнитного алюминиевого сплава. Алюминий полностью заполняет рабочий зазор и хорошо защищает его от повреждений (сколов краев) при случайных контактах с диском. Собственно сердечник делается из сплава железа и никеля, индукция насыщения которого в 2–4 раза больше, чем у феррита.

Формируемые тонкопленочными головками участки остаточной намагниченности на поверхности диска имеют четко выраженные границы, что позволяет добиться очень высокой плотности записи. Благодаря небольшому весу и малым размерам головок можно значительно уменьшить просвет между ними и поверхностями дисков по сравнению с ферритовыми и MIG-головками: в некоторых накопителях его величина не превышает 0,05 мкм. В результате, во-первых, повышается остаточная намагниченность участков поверхности носителя и, во-вторых, увеличивается амплитуда сигнала и улучшается соотношение “сигнал–шум” в режиме считывания, что в итоге сказывается на достоверности записи и считывания данных.

В настоящее время тонкопленочные головки используются в большинстве накопителей высокой емкости, особенно в малогабаритных моделях, практически вытеснив головки с металлом в зазоре. Их конструкция и характеристики постоянно улучшаются, но, скорее всего, в ближайшее время они будут вытеснены магниторезистивными головками.

• Магниторезистивные головки

Магниторезистивные (Magneto-Resistive - MR) головки появились сравнительно недавно. Они разработаны компанией IBM и позволяют добиться самых высоких значений плотности записи и быстродействия накопителей. Впервые магниторезистивные головки были установлены в накопителе на жестких дисках емкостью 1 Гбайт (3,5″) компании IBM в 1991 году.

Все головки являются детекторами, т.е. регистрируют изменения в зонах намагниченности и преобразуют их в электрические сигналы, которые могут быть интерпретированы как данные. Однако при магнитной записи существует одна проблема: при уменьшении магнитных доменов носителя уменьшается уровень сигнала головки и существует вероятность принять шум за “настоящий” сигнал. Для решения этой проблемы необходимо иметь эффективную головку чтения, которая более достоверно сможет определить наличие сигнала.

Магниторезистивные головки дороже и сложнее головок других типов, поскольку в их конструкции есть добавочные элементы, а технологический процесс включает несколько дополнительных этапов. Ниже перечислены основные отличия магниторезистивных головок от обычных:

• к ним должны быть подведены дополнительные провода для подачи измерительного тока на резистивный датчик;
• в процессе производства используется 4–6 дополнительных масок (фотошаблонов);
• благодаря высокой чувствительности магниторезистивные головки более восприимчивы к внешним магнитным полям, поэтому их приходится тщательно экранировать.

Во всех рассмотренных ранее головках в процессе записи и считывания “работал” один и тот же зазор, а в магниторезистивной головке их два - каждый для своей операции. При разработке головок с одним рабочим зазором приходится идти на компромисс при выборе его ширины. Дело в том, что для улучшения параметров головки в режиме считывания нужно уменьшать ширину зазора (для увеличения разрешающей способности), а при записи зазор должен быть шире, поскольку при этом магнитный поток проникает в рабочий слой на большую глубину (“намагничивая” его по всей толщине). В магниторезистивных головках с двумя зазорами каждый из них может иметь оптимальную ширину. Еще одна особенность рассматриваемых головок заключается в том, что их записывающая (тонкопленочная) часть формирует на диске более широкие дорожки, чем это необходимо для работы считывающего узла (магниторезистивного). В данном случае считывающая головка “собирает” с соседних дорожек меньше магнитных помех.

• Гигантские магниторезистивные головки

В 1997 году IBM анонсировала новый тип магниторезистивных головок, обладающих намного большей чувствительностью. Они были названы гигантскими магниторезистивными головками (Giant Magnetoresistive - GMR). Такое название они получили на основе используемого эффекта (хотя по размеру были меньше стандартных магниторезистивных головок). Эффект GMR был открыт в 1988 году в кристаллах, помещенных в очень сильное магнитное поле (приблизительно в 1 000 раз превышающее магнитное поле, используемое в накопителях на жестких дисках).

Способы кодирования данных

Данные на магнитном носителе хранятся в аналоговой форме. В то же время сами данные представлены в цифровом виде, так как являются последовательностью нулей и единиц. При выполнении записи цифровая информация, поступая на магнитную головку, создает на диске магнитные домены соответствующей полярности. Если во время записи на головку поступает положительный сигнал, магнитные домены поляризуются в одном направлении, а если отрицательный - в противоположном. Когда меняется полярность записываемого сигнала, происходит также изменение полярности магнитных доменов.

Если во время воспроизведения головка регистрирует группу магнитных доменов одинаковой полярности, она не генерирует никаких сигналов; генерация происходит только тогда, когда головка обнаруживает изменение полярности. Эти моменты изменения полярности называются сменой знака. Каждая смена знака приводит к тому, что считывающая головка выдает импульс напряжения; именно эти импульсы устройство регистрирует во время чтения данных. Но при этом считывающая головка генерирует не совсем тот сигнал, который был записан; на самом деле она создает ряд импульсов, каждый из которых соответствует моменту смены знака.

Чтобы оптимальным образом расположить импульсы в сигнале записи, необработанные исходные данные пропускаются через специальное устройство, которое называется кодером/декодером (encoder/decoder). Это устройство преобразует двоичные данные в электрические сигналы, оптимизированные в аспекте размещения зон смены знака на дорожке записи. Во время считывания кодер/декодер выполняет обратное преобразование: восстанавливает из сигнала последовательность двоичных данных. За прошедшие годы было разработано несколько методов кодирования данных, причем главной целью разработчиков было достижение максимальной эффективности и надежности записи и считывания информации.

При работе с цифровыми данными особое значение приобретает синхронизация. Во время считывания или записи очень важно точно определить момент каждой смены знака. Если синхронизация отсутствует, то момент смены знака может быть определен неправильно, в результате чего неизбежна потеря или искажение информации. Чтобы предотвратить это, работа передающего и принимающего устройств должна быть строго синхронизирована. Существует два пути решения данной проблемы. Во-первых, синхронизировать работу двух устройств, передавая специальный сигнал синхронизации (или синхросигнал) по отдельному каналу связи. Во-вторых, объединить синхросигнал с сигналом данных и передать их вместе по одному каналу. Именно в этом и заключается суть большинства способов кодирования данных.

Хотя разработано великое множество самых разнообразных методов, на сегодняшний день реально используются только три из них:

• частотная модуляция (FM);
• модифицированная частотная модуляция (MFM);
• кодирование с ограничением длины поля записи (RLL).

Частотная модуляция (FM)

Метод кодирования FM (Frequency Modulation - частотная модуляция) был разработан прежде других и использовался при записи на гибкие диски так называемой одинарной плотности (single density) в первых ПК. Емкость таких односторонних дискет составляла всего 80 Кбайт. В 1970-х годах запись по методу частотной модуляции использовалась во многих устройствах, но сейчас от него полностью отказались.

Модифицированная частотная модуляция (MFM)

Основной целью разработчиков метода MFM (Modified Frequency Modulation - модифицированная частотная модуляция) было сокращение количества зон смены знака для записи того же объема данных по сравнению с FM-кодированием и соответственно увеличение потенциальной емкости носителя. При этом способе записи количество зон смены знака, используемых только для синхронизации, уменьшается. Синхронизирующие переходы записываются только в начало ячеек с нулевым битом данных и только в том случае, если ему предшествует нулевой бит. Во всех остальных случаях синхронизирующая зона смены знака не формируется. Благодаря такому уменьшению количества зон смены знака при той же допустимой плотности их размещения на диске информационная емкость по сравнению с записью по методу FM удваивается.

Вот почему диски, записанные по методу MFM, часто называют дисками двойной плотности (double density). Поскольку при рассматриваемом способе записи на одно и то же количество зон смены знака приходится вдвое больше “полезных” данных, чем при FM-кодировании, скорость считывания и записи информации на носитель также удваивается.

Кодирование с ограничением длины поля записи (RLL)

На сегодняшний день наиболее популярен метод кодирования с ограничением длины поля записи (Run Length Limited - RLL). Он позволяет разместить на диске в полтора раза больше информации, чем при записи по методу MFM, и в три раза больше, чем при FM-кодировании. При использовании этого метода происходит кодирование не отдельных битов, а целых групп, в результате чего создаются определенные последовательности зон смены знака.

Метод RLL был разработан IBM и сначала использовался в дисковых накопителях больших машин. В конце 1980-х годов его стали использовать в накопителях на жестких дисках ПК, а сегодня он применяется почти во всех ПК.

Измерение емкости накопителя

В декабре 1998 года Международная электротехническая комиссия (МЭК), занимающаяся стандартизацией в области электротехники, представила в качестве официального стандарта систему названий и символов единиц измерения для использования в области обработки и передачи данных. До недавнего времени при одновременном использовании десятичной и двоичной систем измерений один мегабайт мог быть равен как 1 млн байт (106), так и 1 048 576 байт (220). Стандартные сокращения единиц, используемые для измерения емкости магнитных и других накопителей, приведены в табл. 1.

В соответствии с новым стандартом 1 MiB (mebibyte) содержит 220 (1 048 576) байт, а 1 Мбайт (мегабайт) - 106 (1 000 000) байт. К сожалению, не существует общепринятого способа отличать двоичные кратные единицы измерения от десятичных. Другими словами, английское сокращение MB (или M) может обозначать как миллионы байтов, так и мегабайты.

Как правило, объемы памяти измеряются в двоичных единицах, но емкость накопителей - и в десятичных и в двоичных, что часто приводит к недоразумениям. Заметьте также, что в английском варианте биты (bits) и байты (Bytes) отличаются регистром первой буквы (она может быть строчной или прописной). Например, при обозначении миллионов битов используется строчная буква “b”, в результате чего единица измерения миллион битов в секунду обозначается Mbps, в то время как MBps означает миллион байтов в секунду.

Что такое жесткий диск

Самым необходимым и в то же время самым загадочным компонентом компьютера является накопитель на жестком диске. Как известно, он предназначен для хранения данных, и последствия его выхода из строя зачастую оказываются катастрофическими. Для правильной эксплуатации или модернизации компьютера необходимо хорошо представлять себе, что же это такое - накопитель на жестком диске.

Основными элементами накопителя являются несколько круглых алюминиевых или некристаллических стекловидных пластин. В отличие от гибких дисков (дискет), их нельзя согнуть; отсюда и появилось название жесткий диск (рис. 4). В большинстве устройств они несъемные, поэтому иногда такие накопители называются фиксированными (fixed disk). Существуют также накопители со сменными дисками, например устройства Iomega Zip и Jaz.

Новейшие достижения

Почти за 20 лет, прошедших с того времени, как жесткие диски стали привычными компонентами персональных компьютеров, их параметры радикально изменились. Чтобы дать некоторое представление о том, как далеко зашел процесс усовершенствования жестких дисков, приведем самые яркие факты.

Максимальная емкость 5,25-дюймовых накопителей увеличилась от 10 Мбайт (1982 год) до 180 Гбайт и больше для 3,5-дюймовых накопителей половинной высоты (Seagate Barracuda 180). Емкость 2,5-дюймовых дисководов с высотой не более 12,5 мм, которые используются в портативных компьютерах, выросла до 32 Гбайт (IBM Travelstar 32GH). Жесткие диски объемом менее 10 Гбайт в современных настольных компьютерах практически не используются.

Скорость передачи данных увеличилась от 85–102 Кбайт/с в компьютере IBM XT (1983 год) до 51,15 Мбайт/с в наиболее быстродействующих системах (Seagate Cheetah 73LP).

Среднее время поиска (т.е. время установки головки на нужную дорожку) уменьшилось от 85 мс в компьютере IBM XT (1983 год) до 4,2 мс в одном из самых быстродействующих на сегодняшний день дисководе (Seagate Cheetah X15).

В 1982 году накопитель емкостью 10 Мбайт стоил более 1500 долларов (150 долларов за мегабайт). В настоящее время, стоимость жестких дисков снизилась до половины цента за мегабайт.

Принципы работы накопителей на жестких дисках

В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными головками чтения/записи с поверхности вращающихся магнитных дисков, разбитых на дорожки и секторы (512 байт каждый), как показано на рис. 5.

В накопителях обычно устанавливается несколько дисков, и данные записываются на обеих сторонах каждого из них. В большинстве накопителей есть по меньшей мере два или три диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах), но существуют также устройства, содержащие до 11 и более дисков. Однотипные (одинаково расположенные) дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (рис. 6). Для каждой стороны диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на общем стержне, или стойке. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга и двигаются только синхронно.

Жесткие диски вращаются намного быстрее, чем гибкие. Частота их вращения даже в большинстве первых моделей составляла 3 600 об/мин (т.е. в 10 раз больше, чем в накопителе на гибких дисках) и до последнего времени была почти стандартом для жестких дисков. Но в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла. Например, в портативном компьютере Toshiba диск объемом 3,3 Гбайт вращается с частотой 4 852 об/мин, но уже существуют модели с частотами 5 400, 5 600, 6 400, 7 200, 10 000 и даже 15 000 об/мин. Скорость работы того или иного жесткого диска зависит от частоты его вращения, скорости перемещения системы головок и количества секторов на дорожке.

При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не должны касаться!) дисков. Но при выключении питания и остановке дисков они опускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка). Если в этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка “столкнется” с диском, вращающимся “на полном ходу”. Если удар будет достаточно сильным, произойдет поломка головки. Последствия этого могут быть разными - от потери нескольких байтов данных до выхода из строя всего накопителя. Поэтому в большинстве накопителей поверхности магнитных дисков легируют и покрывают специальными смазками, что позволяет устройствам выдерживать ежедневные “взлеты” и “приземления” головок, а также более серьезные потрясения.

Рис. 6. Цилиндр накопителя на жестких дисках

Дорожки и секторы

Дорожка - это одно “кольцо” данных на одной стороне диска. Дорожка записи на диске слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения информации. Во многих накопителях ее емкость превышает 100 тыс. байт, и отводить такой блок для хранения небольшого файла крайне расточительно. Поэтому дорожки на диске разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами.

Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и типа накопителя. Например, дорожка гибких дисков может содержать от 8 до 36 секторов, а дорожка жесткого диска - от 380 до 700. Секторы, создаваемые с помощью стандартных программ форматирования, имеют емкость 512 байт, но не исключено, что в будущем эта величина изменится.

Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, в отличие от головок и цилиндров, отсчет которых ведется с нуля. Например, дискета HD (High Density) формата 3,5 дюйма (емкостью 1,44 Мбайт) содержит 80 цилиндров, пронумерованных от 0 до 79, в дисководе установлены две головки (с номерами 0 и 1), и каждая дорожка цилиндра разбита на 18 секторов (1–18).

При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются дополнительные области для записи их номеров, а также прочей служебной информации, благодаря которой контроллер идентифицирует начало и конец сектора. Это позволяет отличать неформатированную и форматированную емкости диска. После форматирования емкость диска уменьшается, и с этим приходится мириться, поскольку для обеспечения нормальной работы накопителя некоторое пространство на диске должно быть зарезервировано для служебной информации.

В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс - prefix portion), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце - заключение (или суффикс - suffix portion), в котором находится контрольная сумма (checksum), необходимая для проверки целостности данных. В большинстве новых дисководов вместо заголовка используется так называемая запись No-ID, вмещающая в себя больший объем данных. Помимо указанных областей служебной информации, каждый сектор содержит область данных емкостью 512 байт.

Для наглядности представьте, что секторы - это страницы в книге. На каждой странице содержится текст, но им заполняется не все пространство страницы, так как у нее есть поля (верхнее, нижнее, правое и левое). На полях помещается служебная информация, например названия глав (в нашей аналогии это будет соответствовать номерам дорожек и цилиндров) и номера страниц (что соответствует номерам секторов). Области на диске, аналогичные полям на странице, создаются во время форматирования диска; тогда же в них записывается и служебная информация. Кроме того, во время форматирования диска области данных каждого сектора заполняются фиктивными значениями. Отформатировав диск, можно записывать информацию в области данных обычным образом. Информация, которая содержится в заголовках и заключениях сектора, не меняется во время обычных операций записи данных. Изменить ее можно, только переформатировав диск.

Форматирование дисков

Различают два вида форматирования диска:

• физическое, или форматирование низкого уровня;
• логическое, или форматирование высокого уровня.

При форматировании гибких дисков с помощью программы Explorer Windows 9x или команды DOS FORMAT выполняются обе операции, но для жестких дисков эти операции следует выполнять отдельно. Более того, для жесткого диска существует и третий этап, выполняемый между двумя указанными операциями форматирования, - разбивка диска на разделы. Создание разделов абсолютно необходимо в том случае, если вы предполагаете использовать на одном компьютере несколько операционных систем. Физическое форматирование всегда выполняется одинаково, независимо от свойств операционной системы и параметров форматирования высокого уровня (которые могут быть различными для разных операционных систем). Это позволяет совмещать несколько операционных систем на одном жестком диске.

При организации нескольких разделов на одном накопителе каждый из них может использоваться для работы под управлением своей операционной системы либо представлять отдельный том (volume), или логический диск (logical drive). Том, или логический диск, - это то, чему система присваивает буквенное обозначение.

Таким образом, форматирование жесткого диска выполняется в три этапа.

1. Форматирование низкого уровня.
2. Организация разделов на диске.
3. Форматирование высокого уровня.

Форматирование низкого уровня

В процессе форматирования низкого уровня дорожки диска разбиваются на секторы. При этом записываются заголовки и заключения секторов (префиксы и суффиксы), а также формируются интервалы между секторами и дорожками. Область данных каждого сектора заполняется фиктивными значениями или специальными тестовыми наборами данных. В накопителях на гибких дисках количество секторов на дорожке определяется типом дискеты и дисковода; количество секторов на дорожке жесткого диска зависит от интерфейса накопителя и контроллера.

Практически во всех накопителях IDE и SCSI используется так называемая зонная запись с переменным количеством секторов на дорожке. Дорожки, более удаленные от центра, а значит, и более длинные, содержат большее число секторов, чем близкие к центру. Один из способов повышения емкости жесткого диска заключается в разделении внешних цилиндров на большее количество секторов по сравнению с внутренними цилиндрами. Теоретически внешние цилиндры могут содержать больше данных, так как имеют большую длину окружности. Однако в накопителях, не использующих метод зонной записи, все цилиндры содержат одинаковое количество данных, несмотря на то что длина окружности внешних цилиндров может быть вдвое больше, чем внутренних. В результате теряется пространство внешних дорожек, так как оно используется крайне неэффективно (рис. 7).

При зонной записи цилиндры разбиваются на группы, которые называются зонами, причем по мере продвижения к внешнему краю диска дорожки разбиваются на все большее число секторов. Во всех цилиндрах, относящихся к одной зоне, количество секторов на дорожках одинаковое. Возможное количество зон зависит от типа накопителя; в большинстве устройств их бывает 10 и более (рис. 8).

Рис. 7. Стандартная запись: количество секторов одинаково на всех дорожках Рис. 8. Зонная запись: количество секторов на дорожках изменяется по мере перемещения от центра диска

Еще одно свойство зонной записи состоит в том, что скорость обмена данными с накопителем может изменяться и зависит от зоны, в которой в конкретный момент располагаются головки. Происходит это потому, что секторов во внешних зонах больше, а угловая скорость вращения диска постоянна (т.е. линейная скорость перемещения секторов относительно головки при считывании и записи данных на внешних дорожках оказывается выше, чем на внутренних).

Организация разделов на диске

При разбивке диска на области, называемые разделами, в каждой из них может быть создана файловая система, соответствующая определенной операционной системе. Сегодня в работе операционных систем чаще других используется три файловые системы.

FAT (File Allocation Table - таблица размещения файлов). Это стандартная файловая система для DOS, Windows 9х и Windows NT. В разделах FAT под DOS допустимая длина имен файлов - 11 символов (8 символов собственно имени и 3 символа расширения), а объем тома (логического диска) - до 2 Гбайт. Под Windows 9х и Windows NT 4.0 и выше допустимая длина имен файлов - 255 символов.

FAT32 (File Allocation Table, 32-bit - 32-разрядная таблица размещения файлов). Используется с Windows 95 OSR2 (OEM Service Release 2), Windows 98 и Windows 2000. В таблицах FAT 32 ячейкам размещения соответствуют 32-разрядные числа. При такой файловой структуре объем тома (логического диска) может достигать 2 Тбайт (2 048 Гбайт).

NTFS (Windows NT File System - файловая система Windows NT). Доступна только в операционной системе Windows NT/2000. Длина имен файлов может достигать 256 символов, а размер раздела (теоретически) - 16 Эбайт (16Ч1018 байт). NTFS обеспечивает дополнительные возможности, не предоставляемые другими файловыми системами, например средства безопасности.

Наибольшее распространение в настоящее время получила файловая система FAT, поскольку именно она поддерживается большинством существующих операционных систем.

Создание разделов на диске выполняется с помощью поставляемой с операционной системой программы FDISK, используя которую можно выбрать (как в мегабайтах, так и в процентном выражении) размер основного и дополнительного разделов. Жестких указаний по созданию разделов на диске не существует - необходимо учитывать объем диска, а также устанавливаемую операционную систему.

После создания разделов необходимо выполнить форматирование высокого уровня с помощью средств операционной системы.

Форматирование высокого уровня

При форматировании высокого уровня операционная система (Windows 9х, Windows NT или DOS) создает структуры для работы с файлами и данными. В каждый раздел (логический диск) заносится загрузочный сектор тома (Volume Boot Sector - VBS), две копии таблицы размещения файлов (FAT) и корневой каталог (Root Directory). С помощью этих структур данных операционная система распределяет дисковое пространство, отслеживает расположение файлов и даже “обходит”, во избежание проблем, дефектные участки на диске.

В сущности, форматирование высокого уровня - это не столько форматирование, сколько создание оглавления диска и таблицы размещения файлов. Настоящее форматирование - это форматирование низкого уровня, при котором диск разбивается на дорожки и секторы. С помощью DOS-команды FORMAT для гибкого диска осуществляются сразу оба типа форматирования, а для жесткого - только форматирование высокого уровня. Чтобы выполнить низкоуровневое форматирование жесткого диска, необходима специальная программа, обычно предоставляемая производителем диска.

Основные узлы накопителей на жестких дисках

Существует много различных типов накопителей на жестких дисках, но практически все они состоят из одних и тех же основных узлов. Конструкции этих узлов и качество используемых материалов могут быть различными, но основные их рабочие характеристики и принципы функционирования одинаковы. К основным элементам конструкции типичного накопителя на жестком диске (рис. 9) относятся следующие:

• диски;
• головки чтения/записи;
• механизм привода головок;
• двигатель привода дисков;
• печатная плата со схемами управления;
• кабели и разъемы;
• элементы конфигурации (перемычки и переключатели).

Диски, двигатель привода дисков, головки и механизм привода головок обычно размещаются в герметичном корпусе, который называется HDA (Head Disk Assembly - блок головок и дисков). Обычно этот блок рассматривается как единый узел; его почти никогда не вскрывают. Прочие узлы, не входящие в блок HDA (печатная плата, лицевая панель, элементы конфигурации и монтажные детали) являются съемными.

Диски

Обычно в накопителе содержится один или несколько магнитных дисков. За прошедшие годы установлен ряд стандартных размеров накопителей, которые определяются в основном размерами дисков, а именно:

• 5,25 дюйма (на самом деле - 130 мм, или 5,12 дюйма);
• 3,5 дюйма (на самом деле - 95 мм, или 3,74 дюйма);
• 2,5 дюйма (на самом деле - 65 мм, или 2,56 дюйма);
  • 1 дюйм (на самом деле - 34 мм, или 1,33 дюйма).

Существуют также накопители с дисками больших размеров, например 8 дюймов, 14 дюймов и даже больше, но, как правило, эти устройства в персональных компьютерах не используются. Сейчас в настольных и некоторых портативных моделях чаще всего устанавливаются накопители формата 3,5 дюйма, а малогабаритные устройства (формата 2,5 дюйма и меньше) - в портативных системах.

В большинстве накопителей устанавливается минимум два диска, хотя в некоторых малых моделях бывает и по одному. Количество дисков ограничивается физическими размерами накопителя, а именно высотой его корпуса. Самое большое количество дисков в накопителях формата 3,5 дюйма равно 11.

Рабочий слой диска

Независимо от того, какой материал используется в качестве основы диска, он покрывается тонким слоем вещества, способного сохранять остаточную намагниченность после воздействия внешнего магнитного поля. Этот слой называется рабочим или магнитным, и именно в нем сохраняется записанная информация. Самыми распространенными являются два типа рабочего слоя:

• оксидный;
• тонкопленочный.

Оксидный слой представляет собой полимерное покрытие с наполнителем из окиси железа.

Тонкопленочный рабочий слой имеет меньшую толщину, он прочнее, и качество его покрытия гораздо выше. Эта технология легла в основу производства накопителей нового поколения, в которых удалось существенно уменьшить величину зазора между головками и поверхностями дисков, что позволило повысить плотность записи.

Тонкопленочный гальванизированный рабочий слой получают путем электролиза. Это происходит почти так же, как при хромировании бампера автомобиля. Алюминиевую подложку диска последовательно погружают в ванны с различными растворами, в результате чего она покрывается несколькими слоями металлической пленки. Рабочим слоем служит слой из сплава кобальта толщиной всего около 1 микродюйма (приблизительно 0,025 мкм).

Головки чтения/записи

В накопителях на жестких дисках для каждой из сторон каждого диска предусмотрена собственная головка чтения/записи. Все головки смонтированы на общем подвижном каркасе и перемещаются одновременно.

На рис. 10 показана стандартная конструкция механизма привода головок с подвижной катушкой.

Когда накопитель выключен, головки касаются дисков под действием пружин. При раскручивании дисков аэродинамическое давление под головками повышается и они отрываются от рабочих поверхностей (“взлетают”). Когда диск вращается на полной скорости, зазор между ним и головками может составлять 0,5–5 микродюймов (0,01–0,5 мкм) и даже больше.

Рис. 10. Головки чтения/записи и поворотный привод с подвижной катушкой

Механизмы привода головок

Пожалуй, еще более важной деталью накопителя, чем сами головки, является механизм, который устанавливает их в нужное положение и называется приводом головок. Именно с его помощью головки перемещаются от центра к краям диска и устанавливаются на заданный цилиндр. Существует много конструкций механизмов привода головок, но их можно разделить на два основных типа:

• с шаговым двигателем;
• с подвижной катушкой.

Тип привода во многом определяет быстродействие и надежность накопителя, достоверность считывания данных, его температурную стабильность, чувствительность к выбору рабочего положения и вибрациям. Скажем сразу, что накопители с приводами на основе шаговых двигателей гораздо менее надежны, чем устройства с приводами от подвижных катушек.

Привод с шаговым двигателем

Шаговый двигатель - это электродвигатель, ротор которого может поворачиваться только ступенчато, т.е. на строго определенный угол. Если покрутить его вал вручную, то можно услышать негромкие щелчки (или треск при быстром вращении), которые возникают всякий раз, когда ротор проходит очередное фиксированное положение.

Привод с подвижной катушкой

Привод с подвижной катушкой используется практически во всех современных накопителях. В отличие от систем с шаговыми двигателями, в которых перемещение головок осуществляется вслепую, в приводе с подвижной катушкой используется сигнал обратной связи, чтобы можно было точно определить положения головок относительно дорожек и скорректировать их в случае необходимости. Такая система позволяет обеспечить более высокое быстродействие, точность и надежность, чем традиционный привод с шаговым двигателем.

Привод с подвижной катушкой работает по принципу электромагнетизма. Механизмы привода головок с подвижной катушкой бывают двух типов:

• линейный;
• поворотный.

Эти типы отличаются только физическим расположением магнитов и катушек.

Линейный привод перемещает головки по прямой, строго вдоль линии радиуса диска. Катушки располагаются в зазорах постоянных магнитов. Главное достоинство линейного привода состоит в том, что при его использовании не возникают азимутальные погрешности, характерные для поворотного привода. (Под азимутом понимается угол между плоскостью рабочего зазора головки и направлением дорожки записи.) При перемещении с одного цилиндра на другой головки не поворачиваются и их азимут не изменяется.

Однако линейный привод имеет существенный недостаток: его конструкция слишком массивна. Чтобы повысить производительность накопителя, нужно снизить массу приводного механизма и самих головок. Чем легче механизм, тем с большими ускорениями он может перемещаться с одного цилиндра на другой. Линейные приводы намного тяжелее поворотных, поэтому в современных накопителях они не используются.

Поворотный привод работает по тому же принципу, что и линейный, но в нем к подвижной катушке крепятся концы рычагов головок. При движении катушки относительно постоянного магнита рычаги перемещения головок поворачиваются, передвигая головки к оси или к краям дисков. Благодаря небольшой массе такая конструкция может двигаться с большими ускорениями, что позволяет существенно сократить время доступа к данным. Быстрому перемещению головок способствует и тот факт, что плечи рычагов делаются разными: то, на котором смонтированы головки, имеет большую длину.

К недостаткам этого привода следует отнести то, что головки при перемещении от внешних цилиндров к внутренним поворачиваются и угол между плоскостью магнитного зазора головки и направлением дорожки изменяется. Именно поэтому ширина рабочей зоны диска (зоны, в которой располагаются дорожки) оказывается зачастую ограниченной (для того чтобы неизбежно возникающие азимутальные погрешности оставались в допустимых пределах). В настоящее время поворотный привод используется почти во всех накопителях с подвижной катушкой.

Автоматическая парковка головок

При выключении питания рычаги с головками опускаются на поверхности дисков. Накопители способны выдержать тысячи “взлетов” и “посадок” головок, но желательно, чтобы они происходили на специально предназначенных для этого участках поверхности дисков, на которых не записываются данные. При этих взлетах и посадках происходит износ (абразия) рабочего слоя, так как из-под головок вылетают “клубы пыли”, состоящие из частиц рабочего слоя носителя; если же во время взлета или посадки произойдет сотрясение накопителя, то вероятность повреждения головок и дисков существенно возрастет.

Одним из преимуществ привода с подвижной катушкой является автоматическая парковка головок. Когда питание включено, головки позиционируются и удерживаются в рабочем положении за счет взаимодействия магнитных полей подвижной катушки и постоянного магнита. При выключении питания поле, удерживающее головки над конкретным цилиндром, исчезает, и они начинают бесконтрольно скользить по поверхностям еще не остановившихся дисков, что может стать причиной повреждений. Для того чтобы предотвратить возможные повреждения накопителя, поворотный блок головок подсоединяется к возвратной пружине. Когда компьютер включен, магнитное взаимодействие обычно превосходит упругость пружины. Но при отключении питания головки под воздействием пружины перемещаются в зону парковки до того, как диски остановятся. По мере уменьшения частоты вращения дисков головки с характерным потрескиванием “приземляются” именно в этой зоне. Таким образом, чтобы в накопителях с приводом от подвижной катушки привести в действие механизм парковки головок, достаточно просто выключить компьютер; никакие специальные программы для этого не нужны. В случае внезапного исчезновения питания головки паркуются автоматически.

Двигатель привода дисков

Двигатель, приводящий во вращение диски, часто называют шпиндельным (spindle). Шпиндельный двигатель всегда связан с осью вращения дисков, никакие приводные ремни или шестерни для этого не используются. Двигатель должен быть бесшумным: любые вибрации передаются дискам и могут привести к ошибкам при считывании и записи.

Частота вращения двигателя должна быть строго определенной. Обычно она колеблется от 3 600 до 7 200 об/мин или больше, а для ее стабилизации используется схема управления двигателем с обратной связью (автоподстройкой), позволяющая добиться высокой точности.

Плата управления

В каждом накопителе, в том числе и на жестких дисках, есть хотя бы одна плата. На ней монтируются электронные схемы для управления шпиндельным двигателем и приводом головок, а также для обмена данными с контроллером (представленными в заранее оговоренной форме). В накопителях IDE контроллер устанавливается непосредственно в накопителе, а для SCSI необходимо использовать дополнительную плату расширения.

Кабели и разъемы накопителей

В большинстве накопителей на жестких дисках предусмотрено несколько интерфейсных разъемов для подключения к системе, подачи питания, а иногда и для заземления корпуса. В большинстве накопителей есть по меньшей мере три типа разъемов:

• интерфейсный разъем (или разъемы);
• разъем питания;

Наибольшее значение имеют интерфейсные разъемы, потому что через них передаются данные и команды в накопитель и обратно. Многие стандарты интерфейсов предусматривают подключение нескольких накопителей к одному кабелю (шине). Естественно, в этом случае их должно быть не меньше двух; в интерфейсе SCSI допускается подключение до семи накопителей к одному кабелю (Wide SCSI-2 поддерживает до 15 устройств). В некоторых стандартах (например, в ST-506/412 или ESDI) для данных и управляющих сигналов предусмотрены отдельные разъемы, поэтому накопитель и контроллер соединяются двумя кабелями, однако большинство современных устройств ISE и SCSI подключаются с помощью одного кабеля.

Разъемы питания накопителей на жестких дисках обычно такие же, как и у дисководов для гибких дисков. В большинстве накопителей используются два напряжения питания (5 и 12 В), но малогабаритным моделям, разработанным для портативных компьютеров, достаточно напряжения 5 В.

Характеристики накопителей на жестких дисках

Если вы собрались покупать новый накопитель или просто хотите разобраться в том, каковы различия между устройствами разных семейств, сравните их параметры. Ниже приведены критерии, по которым обычно оценивают качество жестких дисков.

• Надежность.
• Быстродействие.
• Противоударная подвеска.
• Стоимость.

Надежность

В описаниях накопителей можно встретить такой параметр, как среднестатистическое время между сбоями (Mean Time Between Failures - MTBF), которое обычно колеблется от 20 до 500 тыс. часов и более. Я никогда не обращаю внимания на эти цифры, поскольку они являются чисто теоретическими.

S.M.A.R.T. (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology - технология самотестирования, анализа и отчетности) - это новый промышленный стандарт, описывающий методы предсказания появления ошибок жесткого диска. При активизации системы S.M.A.R.T. жесткий диск начинает отслеживать определенные параметры, чувствительные к неисправностям накопителя или указывающие на них. В результате такого отслеживания можно предсказать сбои в работе накопителя.

Быстродействие

Важным параметром накопителя на жестком диске является его быстродействие. Этот параметр для разных моделей может варьироваться в широких пределах. И как это часто бывает, лучшим показателем быстродействия накопителя является его цена. Быстродействие накопителя можно оценить по двум параметрам:

• среднестатистическому времени поиска (average seek time);
• скорости передачи данных (data transfer rate).

Под среднестатистическим временем поиска, которое измеряется в миллисекундах, подразумевается среднее время перемещения головок с одного цилиндра на другой (причем расстояние между этими цилиндрами может быть произвольным). Измерить этот параметр можно, выполнив достаточно много операций поиска случайно выбранных дорожек, а затем разделив общее время, затраченное на эту процедуру, на количество совершенных операций. В результате будет получено среднее время однократного поиска.

Стоимость

В последнее время “удельная стоимость” накопителей на жестких дисках упала до 2 центов за мегабайт (и даже ниже). Стоимость накопителей продолжает снижаться, и через некоторое время вам покажется, что даже полцента за мегабайт - это слишком дорого. Именно из-за снижения цен накопители емкостью менее 1 Гбайт сейчас практически не выпускаются, а оптимальным выбором будет диск емкостью более 10 Гбайт.

• неформатированная емкость в миллионах байтов;
• форматированная емкость в миллионах байтов;
• неформатированная емкость в мегабайтах (Мбайт);
• форматированная емкость в мегабайтах (Мбайт).

Вопросы для самоконтроля

1. Что собой представляет гибкий диск?
2. В чём суть магнитного кодирования двоичной информации?
3. Как работают накопители на гибких магнитных дисках и накопители на жёстких магнитных дисках?
4. Каковы достоинства и недостатки накопителей на компакт-дисках?

Гребенюк Е.И., Гребенюк Н.А. Технические средства информатизации издательский дом «Академия»-Москва, 2007 /стр.51-82/

Доклад по физике

по теме:

“Магнитная запись.

Магнитные носители информации”

Технология записи информации на магнитные носители появилась сравни-тельно недавно - примерно в середине 20-го века (40-ые - 50-ые годы). Но уже нес-колько десятилетий спустя - 60-ые - 70-ые годы - это технология стала очень рас-пространённой во всём мире.

Очень давно появилась на свет первая грам-пластинка. Которая использова-лась в качестве носителя различных звуковых данных - на неё записывали различ-ные музыкальные мелодии, речь человека, песни.

Сама технология записи на пластинки была довольно простой. При помощи специального аппарата в специальном мяг-ком материале, виниле, делались засечки, ямки, полоски. И из этого получалась плас-тинка, которую можно было прослушать при помощи специального аппарата - патифона или проигрывателя. Патифон состоял из: ме-ханизма, вращающего пластинку вокруг сво-ей оси, иглы и трубки.

Приводился в действие механизм, вра-щающий пластинку, и ставилась игла на пластинку. Игла плавно плыла по канавкам, прорубленным в пластинке, издавая при этом различные звуки - в зависимости от глубингы канавки, её ширины, наклона и.т.д., используя явление резонанса. А после труба, находившаяся около самой иголки, усиливала звук, “высекаемый” иголкой. (рис. 1)

Почти такая же система и используется в современных (да и использовалась раньше тоже) устройствах считывания магнитной записи. Функции составных час-тей остались прежними, только поменялись сами составные части - вместо винило-вых пластинок теперь используются ленты с напылённым на них сверху слоем маг-нитных частиц; а вместо иголки - специальное считывающее устройство. А трубка, усиливающая звук, исчезла совсем, и на её место пришли динамики, использующие уже болдее новую технологию воспроизведения и усиления звуковых колебаний. А в некоторых отраслях, в которых применяются магнитные носители (например, в ком-пьютерах) пропала необходимость использования таких трубок.

Магнитная лента состоит из полоски плотного вещества, на которую напыляется слой ферромагнетиков. Именно на этот слой “запоминается” информация.

Процесс записи также похож на про-цессс записи на виниловые пластинки - при помощи магнитной индукционной вмес-то специального апарата.

На головку подаётся ток, который при-водит в действие магнит. Запись звука на плёнку происходит благодаря действию электромагнита на плёнку. Магнитное поле магнита меняется в такт со звуковыми колебаниями, и благодаря этому маленькие магнитные частички (домены) начинают менять своё местоположение на поверхности плёнки в определённом порядке, в за-висимости от воздействия на них магнитного поля, создаваемого электромагнитом.

А при воспроизведении записи наблюдается процесс обратный записи: намаг-ниченная лента возбуждает в магнитной головке электрические сигналы, которые после усиления поступают дальше в динамик. (рис. 2)

Данные, используемые в компьютерной технике, записываются на магнитные носители таким же образом, с той разницей, что для данных нужно меньше места на плёнке, чем для звука. Просто вся информация, записываемая на магнитный носи-тель в компьютерах, записывается в двоичной системе - если при чтении с носите-ля головка “чувствует” нахождение под собой домена, то это означает, что значение данной частички данных равно “1”, если не “чувствует”, то значение - “0”. А дальше уже система компьютера преобразует данные, записанные в двоичной системе, в более понятную для человека систему.

Сейчас в мире присутсвует множество различных типов магнитных носителей: дискеты для компьютеров, аудио- и видеокассеты, бабинные ленты, жёсткие диски внутри компьютеров и.т.д.

Но постепенно открываются новые законы физики, и вместе с ними - новые возможности записи информации. Уже несколько десятилетий назад появилось мно-жество носителей информации, базирующихся на новой технологии - считывания информации при помощи линз и лазерного луча. Но всё-равно технология магнит-ной записи просуществует ещё довольно долго из-за своего удобства в использова-нии.

Что было известно первому человеку? Как убить мамонта, бизона или поймать кабана. В эпоху палеолита хватало стен в пещере, чтобы зафиксировать все изученное. Пещерная база данных целиком бы уместилась на скромную флешку размером мегабайт. За 200000 лет своего существования мы узнали о геноме африканской лягушки, нейронных сетях и больше не рисуем на скалах. Сейчас у нас есть диски, облачные хранилища. А также другие виды носителей информации, способные сохранить на одном чипсете всю библиотеку МГУ.

Что такое носитель информации

Носитель информации - это физический объект, свойства и характеристики которого используются для записи и хранения данных. Примерами носителей информации являются пленки, компактные оптические диски, карты, магнитные диски, бумага и ДНК. Носители информации различаются по принципу осуществления записи:

• печатная или химическая с нанесением краски: книги, журналы, газеты;
• магнитная: HDD, дискеты;
• оптическая: CD, Blu-ray;
• электронная: флешки, твердотельные накопители.

Классифицируются хранилища данных по форме сигнала:

• аналоговые, использующие для записи непрерывный сигнал: аудио компакт-кассеты и бобины для магнитофонов;
• цифровые - с дискретным сигналом в виде последовательности чисел: дискеты, флешки.

Первые носители информации

История записи и хранения данных началась 40 тысяч лет назад, когда Homo sapiens пришла идея делать эскизы на стенах своих жилищ. Первое наскальное творчество находится в пещере Шове на юге современной Франции. Галерея содержит 435 рисунков, изображающих львов, носорогов и других представителей фауны позднего палеолита.

На смену Ориньякской культуре в бронзовом веке возник принципиально новый вид носителей информации - туппу́м. Девайс представлял собой пластину из глины и напоминал современный планшет. На поверхность с помощью тростниковой палочки - стилуса - наносились записи. Чтобы труд не размыло дождем, туппумы обжигались. Все таблички с древней документацией тщательно сортировались и хранились в специальных деревянных ящиках.

В Британском музее есть туппум, содержащий информацию о финансовой сделке, произошедшей в Месопотамии во времена правления царя Ассурбанипала. Офицер из свиты принца подтверждал продажу рабыни Арбелы. Табличка содержит его именную печать и записи о ходе операции.

Кипу и папирус

С III тысячелетия до нашей эры в Египте начинают использовать папирус. Запись данных происходит на листы, изготовленные из стеблей растения papyrus. Портативный и легкий вид носителей информации быстро вытеснил свою глиняную предшественницу. На папирусе пишут не только египтяне, но и греки, римляне, византийцы. В Европе материал использовали до XII века. Последний документ, написанный на папирусе, - папский декрет 1057 года.

Одновременно с древними египтянами, на противоположном конце планеты инки изобретают кипу, или «говорящие узелки». Информация фиксировалась с помощью завязывания узлов на прядильных нитях. Кипу хранили данные о налоговых сборах, численности населения. Предположительно использовалась нечисловая информация, но ученым ее только предстоит разгадать.

Бумага и перфокарты

С XII до середины XX века основным хранилищем данных была бумага. Ее использовали для создания печатных и рукописных изданий, книг, средств масс-медиа. В 1808 году из картона начали делать перфокарты - первые цифровые носители информации. Представляли собой листы картона с проделанными в определенной последовательности отверстиями. В отличие от книг и газет, перфокарты считывались машинами, а не людьми.

Изобретение принадлежит американскому инженеру с немецкими корнями Герману Холлериту. Впервые автор применил свое детище для составления статистики смертности и рождаемости в Нью-Йоркском Совете здравоохранения. После пробных попыток, перфокарты использовали для переписи населения США в 1890 году.

Но сама идея проделывать дырки в бумаге, чтобы записывать информацию, была далеко не новой. Еще в 1800 году перфокарты ввел в обиход француз Джозеф-Мари Жаккард для управления ткацким станком. Поэтому технологический прорыв заключался в создании Холлеритом не перфокарт, а табуляционной машины. Это был первый шаг на пути к автоматическому считыванию и вычислению информации. Компания TMC Германа Холлерита по производству табуляционных машин в 1924 году была переименована в IBM.

OMR-карты

Представляют собой листы плотной бумаги с информацией, записанной человеком в виде оптических меток. Сканер распознает метки и обрабатывает данные. OMR-карты используют для составления опросников, тестов с опциональным выбором, бюллетеней и форм, которые необходимо заполнять вручную.

Технология основана на принципе составления перфокарт. Но машина считывает не сквозные отверстия, а выпуклости, или оптические метки. Погрешность исчислений составляет менее 1 %, поэтому OMR-технологию продолжают использовать государственные учреждения, экзаменационные органы, лотереи и букмекерские конторы.

Перфолента

Цифровой носитель информации в виде длинной бумажной полоски с отверстиями. Перфорированные ленты были впервые использованы Базиле Бушоном в 1725 году для управления ткацким станком и механизирования отбора нитей. Но ленты были очень хрупкими, легко рвались и при этом дорого стоили. Поэтому их заменили на перфокарты.

С конца XIX века перфолента получила широкое применение в телеграфии, для ввода данных в компьютеры 1950-1960 годов и в качестве носителей для мини-компьютеров и станков с ЧПУ. Сейчас бобины с намотанной перфолентой стали анахронизмом и канули в Лету. На смену бумажным носителям пришли более мощные и объемные хранилища данных.

Магнитная лента

Дебют магнитной ленты в качестве компьютерного носителя информации состоялся в 1952 году для машины UNIVAC I. Но сама технология появилась гораздо раньше. В 1894 году датский инженер Вольдемар Поульсен обнаружил принцип магнитной записи, работая механиком в Копенгагенской телеграфной компании. В 1898 году ученый воплотил идею в аппарате под названием "телеграфон".

Стальная проволока проходила между двумя полюсами электромагнита. Запись информации на носитель осуществлялась посредством неравномерного намагничивания колебаний электрического сигнала. Вольдемар Поульсен запатентовал свое изобретение. На Всемирной выставке 1900 года в Париже он имел честь записать голос императора Франца-Иосифа на свой девайс. Экспонат с первой магнитной звукозаписью по сей день хранится в Датском музее науки и техники.

Когда патент Поульсена истек, Германия занялась улучшением магнитной записи. В 1930 году стальная проволока была заменена гибкой лентой. Решение использовать магнитные полосы принадлежит австрийско-немецкому разработчику Фрицу Пфлеймеру. Инженер придумал покрывать тонкую бумагу порошком оксида железа и осуществлять запись посредством намагничивания. С использованием магнитной пленки были созданы компакт-кассеты, видеокассеты и современные носители информации для персональных компьютеров.

HDD-диски

Винчестер, HDD или жесткий диск - это аппаратное устройство с энергонезависимой памятью, что означает полное сохранение информации, даже при отключенном питании. Является вторичным запоминающим устройством, состоящим из одной или нескольких пластин, на которые записываются данные с использованием магнитной головки. HDD находятся внутри системного блока в отсеке дисководов. Подключаются к материнской плате с помощью кабеля ATA, SCSI или SATA и к блоку питания.

Первый жесткий диск был разработан американской компанией IBM в 1956 году. Технологию применили в качестве нового вида носителей информации для коммерческого компьютера IBM 350 RAMAC. Аббревиатура расшифровывается как «метод случайного доступа к учету и контролю».

Чтобы вместить девайс у себя дома, потребовалась бы целая комната. Внутри диска было 50 алюминиевых пластин по 61 см в диаметре и 2,5 см шириной. Размер системы хранения данных приравнивался к двум холодильникам. Его вес составлял 900 кг. Емкость RAMAC была всего лишь 5МБ. Смешная цифра на сегодняшний день. Но 60 лет назад это расценивалось как технология завтрашнего дня. После анонсирования разработки, ежедневная газета города Сан Хосе выпустила репортаж под названием «Машина с суперпамятью!».

Размеры и возможности современных HDD

Жесткий диск - компьютерный носитель информации. Используется для хранения данных, включая изображения, музыку, видео, текстовые документы и любые созданные или загруженные материалы. Кроме того, содержат файлы для операционной системы и программного обеспечения.

Первые винчестеры вмещали до нескольких десятков Мбайт. Постоянно развивающаяся технология позволяет современным HDD хранить терабайты информации. Это около 400 фильмов со средним расширением, 80 000 песен в mp3-формате или 70 компьютерных ролевых игр, аналогичных «Скайрим», на одном устройстве.

Дискета

Floppy, или гибкий магнитный диск, - носитель информации, созданный IBM в 1967 году как альтернатива HDD. Дискеты стоили дешевле винчестеров и предназначались для хранения электронных данных. На ранних компьютерах не было CD-ROM или USB. Гибкие диски были единственным способом установки новой программы или резервного копирования.

Вместительность каждой 3,5-дюймовой дискеты была до 1,44 Мбайт, когда одна программа «весила» не менее полутора мегабайт. Поэтому версия Windows 95 появилась сразу на 13 дискетах DMF. Floppy disk на 2,88 Мбайт появился только в 1987 году. Просуществовал этот электронный носитель информации до 2011 года. В современной комплектации компьютеров отсутствуют флоппи-дисководы.

Оптические носители

С появлением квантового генератора началась популяризация оптических запоминающих устройств. Запись осуществляется лазером, а считываются данные за счет оптического излучения. Примеры носителей информации:

• Blu-ray диски;
• CD-ROM диски;
• DVD-R, DVD+R, DVD-RW и DVD+RW.

Устройство представляет собой диск, покрытый слоем поликарбоната. На поверхности находятся микроуглубления, которые считываются лазером при сканировании. Первый коммерческий лазерный диск появился на рынке в 1978 году, а в 1982 году японская компания SONY и Philips выпустили в продажу компакт-диски. Их диаметр составлял 12 см, а разрешение было увеличено до 16 бит.

Электронные носители информации формата CD использовались исключительно для воспроизведения звуковой записи. Но на то время это была передовая технология, за которую в 2009 году Royal Philips Electronics получила награду IEEE. А в январе 2015 года CD был награжден как ценнейшая инновация.

В 1995 году появились цифровые универсальные диски или DVD, ставшие оптическими носителями нового поколения. Для их создания использовалась технология другого типа. Вместо красного лазер DVD использует более короткий инфракрасный свет, что увеличивает объем носителя информации. Двухслойные DVD-диски способны хранить до 8,5 Гбайта данных.

Flash-память

Флеш-память - это интегральная микросхема, которая не требует постоянной мощности для сохранения данных. Другими словами, это энергонезависимая полупроводниковая компьютерная память. Запоминающие устройства с флеш-памятью постепенно завоевывают рынок, вытесняя магнитные носители.

Преимущества Flash-технологии:

• компактность и мобильность;
• большой объем;
• высокая скорость работы;
• низкое энергопотребление.

К запоминающим устройствам Flash-типа относят:

• USB-флешки. Это самый простой и дешевый носитель информации. Используется для многократной записи, хранения и передачи данных. Размеры варьируются от 2 Гбайт до 1 Тбайта. Содержит микросхему памяти в пластиковом или алюминиевом корпусе с USB-разъёмом.
• Карты памяти. Разработаны для хранения данных на телефонах, планшетах, цифровых фотоаппаратах и других электронных девайсах. Отличаются размером, совместимостью и объемом.
• SSD. Твердотельный накопитель с энергонезависимой памятью. Это альтернатива стандартному жесткому диску. Но в отличие от винчестеров у SSD нет движущийся магнитной головки. За счет этого они обеспечивают быстрый доступ к данным, не издают скрипов, как HDD. Из недостатков - высокая цена.

Облачные хранилища

Облачные онлайн-хранилища - это современные носители информации, представляющие собой сеть из мощных серверов. Вся информация хранится удаленно. Каждый пользователь может получать к данным доступ в любое время и из любой точки мира. Недостаток в полной зависимости от интернета. Если у вас нет подключения к Сети или Wi-Fi, доступ к данным закрыт.

Облачные хранилища гораздо дешевле своих физических аналогов и обладают большим объемом. Технология активно используется в корпоративной и образовательной среде, разработке и проектировании веб-приложений компьютерного софта. На облаке можно хранить любые файлы, программы, резервные копии, использовать их как среду разработки.

Из всех перечисленных видов носителей информации самыми перспективными являются облачные хранилища. Также все больше пользователей ПК переходят с магнитных жестких дисков на твердотельные накопители и носители с Flash-памятью. Развитие голографических технологий и искусственного интеллекта обещает появление принципиально новых девайсов, которые оставят флешки, SDD и диски далеко позади.

Накопители на магнитных и оптических носителях.

Назовем причины необходимости наличия внешней памяти у компьютера.

1. Сохранение информации для последующего использования или для передачи другим людям имело огромное значение для развития цивилизации. До появления ЭВМ человек использовал для этой цели книги, фотографии, магнитофонные записи, кинопленку и т. д. К концу XX века потоки информации значительно возросли и появление ЭВМ способствовало разработке и применению носителей информации обеспечивающих возможность ее долговременного хранения в компактной форме.

2. Оперативная память ЭВМ обладает рядом недостатков, связанных с технологией ее изготовления. Даже сегодня, в XXI веке она не обладает достаточно большим объемом и не вмещает громадных объемов информации. Кроме того, содержимое ОЗУ все еще теряется при выключении компьютера. Поэтому наличие в компьютерной системе еще одного вида памяти - внешней, позволило устранить эти недостатки. Основной функцией внешней памяти является способность долговременно хранить информацию. Кроме этого внешняя память имеет большой объем и дешевле оперативной. И еще, носители внешней памяти обеспечивают перенос информации с одного компьютера на другой, что важно в ситуации, когда отсутствуют компьютерные сети.

Таким образом внешняя (долговременная) память - это место длительного хранения данных (программ, результатов расчетов, текстов и т. д.), не используемых в данный момент в оперативной памяти компьютера. Внешняя память, в отличие от оперативной, является энергонезависимой, но не имеет прямой связи с процессором.

Носители внешней памяти, кроме того, обеспечивают транспортировку данных в тех случаях, когда компьютеры не объединены в сети (локальные или глобальные).

Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя (устройства, обеспечивающего запись и (или) считывание информации) и устройства хранения - носителя.

Основные виды накопителей:

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

Накопители CD-ROM, CD-RW, DVD. Им соответствуют основные виды носителей:

Гибкие магнитные диски (Floppy Disk);

Жесткие магнитные диски (Hard Disk):

Диски CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD. Основные характеристики накопителей и носителей:

Информационная емкость;

Скорость обмена информацией;

Надежность хранения информации;

Стоимость.

Принцип работы магнитных запоминающих устройств

В основе магнитной записи лежит преобразование цифровой информации (в виде 0 и 1) в переменный электрический ток, который сопровождается переменным магнитным полем. В результате поверхность магнитных носителей разделяется на не намагниченные участки (0) и намагниченные (1).

У компьютеров ранних поколений функции внешней памяти выполняли перфоленты и перфокарты, а также магнитные ленты, которые сейчас используются очень редко. Магнитные ленты являются устройством с последовательным доступом. Данные можно читать или записывать только последовательно, при нарушении порядка приходится долго ждать, пока лента будет перемотана в нужное место. Магнитные ленты - достаточно медленные устройства, хотя и с большой емкостью. Современные устройства для работы с магнитными лентами - стримеры имеют увеличенную скорость записи, и емкость одной кассеты стримера измеряется сотнями и тысячами мегабайтов, а скорость передачи данных - от 2 до 9 Мбайт в минуту.

Гибкий диск

Накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy disk) или диске­та - носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения .

Устройство дискеты.

Шторка окна чтения/записи

Пластиковый конверт

Втулка привода диска

Блокировка записи: выключена/включена В

Диск находится внутри пластикового конверта, который защищает его от механических повреждений. Для того, чтобы прочитать или записать данные, необходимо вставить дискету в дисковод для гибких магнитных дисков, щель которого находится на передней панели системного блока. Внутри дисковода шторка чтения/записи автоматически открывается и именно над этим местом устанавливается головка чтения/записи дисковода. Диск внутри дисковода вращается с постоянной угловой скоростью, которая является достаточно низкой (несколько килобайт в секунду, среднее время доступа - 250 мс). Запись информации происходит на обе стороны диска. В настоящее время наиболее распространенными являются дискеты размером 3,5 дюйма (1 дюйм = 2,54 см) и емкостью 1,44 Мбайта (это примерно 600 страниц текста или несколько десятков графических изображений). Диск можно защитить от записи. Для этого используется предохранительная защелка.

Дискеты требуют аккуратного обращения. Они могут быть повреждены, если:

Дотрагиваться до записывающей поверхности;

Писать на этикетке дискеты карандашом или шариковой ручкой;

Сгибать дискету;

Перегревать дискету (оставлять на солнце или около батареи отопления);

Подвергать дискету воздействию магнитных полей.

Жесткий магнитный диск

Так как гибкий диск обладает небольшим объемом, его, в основном, используют для переноса информации с одного компьютера на другой. Жесткий диск является информационным складом ЭВМ и способен хранить огромные объемы информации.

Накопитель на жестких магнитных дисках (англ. HDD - Hard Disk Driver) или винчестер - это наиболее массовое запоминающее устройство большой емкости, в котором носителями информации являются алюминиевые пластины, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения программ и данных.

Диски винчестера помещены на одну ось и вместе с головками чтения/ записи и несущими их головками помещены в герметически закрытый металлический корпус. Такая конструкция позволила существенно увеличить скорость вращения дисков и плотность записи. Запись информации происходит на обе поверхности дисков.

В отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно. Поэтому скорость его вращения может быть от 3600 до 10000 об/мин, среднее время поиска данных - 9 мс, средняя скорость передачи данных - до 60 Мбайт/ сек.

Емкость винчестеров в компьютерах 2000 года измерялась десятками гигабайтов. Наиболее распространены накопители с диаметром 2.2, 2.3, 3.14, 5.25 дюймов.

В целях сохранения информации и работоспособности винчестер необходимо уберегать от ударов и резких изменений пространственной ориентации в процессе работы.

Лазерный диск

CD- ROM (англ. Compact Disk Real Only Memory - постоянное запоминающее устройство на основе компакт диска)

Компакт-диск диаметром 120 мм (около 4,75 дюймов) изготовлен из полимера и покрыт металлической пленкой. Информация считывается именно с этой металлической пленки, которая покрывается полимером, защищающим данные от повреждения. CD-ROM является односторонним носителем информации.

Принцип цифровой записи информации на лазерный диск отличается от принципа магнитной записи. Закодированная информация наносится на диск лазерным лучом, который создает на поверхности микроскопические впадины, разделяемые плоскими участками. Цифровая информация представляется чередованием впадин (кодирование нуля) и отражающих свет островков (кодирование единицы). Информация, нанесенная на диск, не может быть изменена.

Считывание информации с диска происходит за счет регистрации изменений интенсивности отраженного от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Приемник или фотодатчик определяет, отразился ли луч от гладкой поверхности (таким образом фиксируется единица), был рассеян или поглощен (фиксирование нуля). Рассеивание или поглощение луча происходит в местах, где в процессе записи были нанесены углубления. Фотодатчик воспринимает рассеянный луч, и эта информация в виде электрических сигналов поступает на микропроцессор, который преобразует эти сигналы в двоичные данные или звук.

CD-ROM вращается с переменной угловой скоростью, чтобы обеспечить постоянную линейную скорость при чтении. Таким образом, чтение информации с внутренних участков диска осуществляется при большем числе оборотов, чем с наружных. Поэтому доступ к данным на CD-ROM осуществляется быстрее, чем к данным на дискетах, но медленнее, чем на жестких дисках (от 150 до 400 мс при скорости вращения до 4500 об/мин). Скорость передачи данных составляет не менее 150 Кбайт и доходит до 1,2 Мбайта/с.

Емкость CD-ROM достигает 780 Мбайт, благодаря чему на них обычно выпускаются мультимедийные программы.

CD-ROM просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами , с них невозможно случайно стереть информацию.

CD-R (Compact Disk Recorder)

CD-R является записываемым диском емкостью 650 Мбайт. На дисках CD-R отражающий слой выполнен из золотой пленки. Между этим слоем и основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные впадинам. Накопители CD-R, благодаря сильному удешевлению, приобретают все большее рас­пространение.

CD-RW (Compact Disk Rewritable)

Более популярными являются накопители CD-RW, которые позволяют записывать и перезаписывать информацию. Дисковод CD-RW позволяет записывать и читать диски CD-R и CD-RW, читать диски CD-ROM, т. е. является в определенном смысле универсальными.

Аббревиатура DVD расшифровывается как Digital Versatile Disk, т. е. уни версальный цифровой диск. Имея те же габариты, что обычный компакт-диск, и весьма похожий принцип работы, он вмещает чрезвычайно много информации - от 4,7 до 17 Гбайт. Возможно, именно из-за большой емкости он и называется универсальным. Правда, на сегодня реально применяется DVD-диск лишь в двух областях: для хранения видеофильмов (DVD-Video или просто DVD) и сверхбольших баз данных (DVD-ROM, DVD-R).

Разброс емкостей возникает так: в отличие от CD-ROM, диски DVD записываются с обеих сторон. Более того, с каждой стороны могут быть нанесены один или два слоя информации. Таким образом, односторонние однослойные диски имеют объем 4,7 Гбайт (их часто называют DVD-5, т. е. диски емкостью около 5 Гбайт), двусторонние однослойные - 9,4 Гбайт (DVD-10), односторонние двухслойные - 8,5 Гбайт (DVD-9), а двусторонние двухслойные - 17 Гбайт (DVD-18). В зависимости от объема требующих хранения данных и выбирается тип DVD-диска. Если речь идет о фильмах, то на двусторонних дисках часто хранят две версии одной картины - одна широкоэкранная, вторая в классическом телевизионном формате.

Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных. Она измеряется в кратных долях. За единицу измерения принята скорость чтения в первых серийных образцах, составляющая 150 Кбайт/с, поэтому дисковод с удвоенной скоростью чтения обеспечивает производительность 300 Кбайт/с, с учетверенной - 600 Кбайт/с и т. д.

В целях сохранности информации лазерные диски необходимо предохра­нять от механических повреждений (царапин), а также от загрязнения.

Структура поверхности дисков

Постановка проблемы.

Представьте себе книгу, выполненную в виде длинной ленты.

Удобно ли искать нужную информацию в такой «книге»? Почему?

В чем заключается удобство поиска нужной информации в обычной книге, в которой есть страницы? Почему?

Вывод: в книге можно найти нужную информацию без проблем, т. к. она имеет удобную структуру, а именно - разделена на страницы. В книге, выполненной в виде длинной ленты, неудобно искать информацию, т. к. непонятно, в какой части ленты она находится. Страницы имеют свои номера, поэтому для поиска нужной информации достаточно знать номер страницы на которой она находится, т. е. книга обладает структурой. Без этой структуры поиск информации затрудняется.

Так как книга является аналогом внешней памяти, то и поверхность любого диска должна иметь определенную структуру. Так же как при изготовлении книги большой лист бумаги разрезают на страницы и затем собирают их вместе, так и поверхность диска «разрезают» на части - «страницы».

Магнитные диски.

Любой магнитный диск первоначально к работе не готов. Для приведения его в рабочее состояние он должен быть отформатирован, т. е. должна быть создана структура диска. Для гибкого магнитного диска - это магнитные концентрические дорожки,- разделенные на сектора. А у жесткого магнитного диска еще присутствуют цилиндры, т. к. жесткий диск состоит из нескольких пластин.

Сектор - это слишком маленький «кусочек» поверхности диска (как строка на странице). Поэтому секторы объединяются в более крупные «кусочки» - кластеры.

Объем диска можно вычислить следующим образом.

Объем = количество сторон * количество дорожек * сектора * объем сектора.

Чем дальше от центра диска, тем дорожки длиннее. Поэтому при одинаковом количестве секторов на каждом из них плотность записи на внутренних дорожках должна быть выше, чем на внешних. Количество секторов, емкость сектора, а следовательно, и информационный объем диска зависят от типа дисковода и режима форматирования, а также от качества самих дисков.

Лазерные диски

В отличие от магнитных дисков CD-ROM имеет всего одну физическую дорожку в форме спирали, идущей от наружного диаметра диска к внутреннему.

Пример 1. Дано дерево файловой структуры диска. Заглавными буквами обозначены имена каталогов, строчными - имена файлов.

Перечислить имена каталогов 1-го, 2-го, 3-го уровней. Ука­зать путь к файлу letter. txt от корневого каталога. Указать путь к файлу letter1.doc от корневого каталога, а к файлу letter2.doc - от каталога WORK. Указать полные имена файлов

letter. txt и letterl. doc, если файловая структура хранится на диске С.

Решение. Каталоги 1-го уровня COMPUTER, WORK, UROK. Каталоги 2-го уровня - IBM, APPLE, DOCUMENT, PRINT. Ка­талоги 3-го уровня - D0C1, D0C2.

Путь к файлу letter. txt от корневого каталога: \WORK\PRINT . Путь к файлу letterl. doc от корневого катало­га: \W0RK\D0CUMENT\D0C2 . Путь к файлу letter2.doc от ка­талога W0RK:\D0CUMENT\D0C2.

Полные имена файлов letter. txt и letterl. doc:

C:\WORK\PRINT\letter. txt и

C:\W0RK\D0CUMENT\D0C2\letterl. doc .

Дано дерево иерархической файловой структуры на магнит­ном диске. Заглавными буквами обозначены имена катало­гов, строчными - имена файлов:

Найти ошибки в файловой структуре.

Дано дерево иерархической файловой структуры на магнит­ном диске. Заглавными буквами обозначены имена катало­гов, строчными - имена файлов:

Перечислить каталоги 1-го, 2-го, 3-го уровней, если они есть. Указать пути от корневого каталога к каждому из файлов.

\COUNTRY\USA\INFO\culture. txt ; \COUNTRY\USA\washington. txt ; \COUNTRY\RUSSIA\moscow. txt ; \COUNTRY\RUSSIA\INFO\industry. txt ; \COUNTRY\RUSSIA\INFO\culture. txt

Указаны пути от корневого каталога к некоторым файлам, хранящимся на магнитном диске. Заглавными буквами обо­значены имена каталогов, строчными - имена файлов: \BOX\LETTER\peter. txt ; \BOX\LETTER\kate. txt ; \LETTER\WORK\april. txt ; \LETTER\WORK\may. txt ; \LETTER\FREND\SCHOOL\mary. txt ; \LETTER\FREND\sport. txt . Отобразить файловую структуру в виде дерева.

Решите задачи : ■ № 1

Двусторонняя дискета имеет объем 800 Кбайт. Сколько дорожек на одной стороне дискеты, если каждая дорожка содержит 20 секторов по 0,5 Кбайт. Решение".

1) 800:2=400 Кбайт - объем дискеты;

2) 20*0,5=10 Кбайт - объем всех секторов;

3) 400:10=40 - дорожек. Ответ: 40 дорожек.

Какой объем имеет каждый сектор двусторонней дискеты емкостью 360 Кбайт, если каждая сторона дискеты разбита на 40 дорожек по 18 секторов на дорожке?

Решение:

1) 40*18=720 секторов на диске;

2) 360:720=0,5 Кбайт - объем сектора. Ответ: 0,5 Кбайт.

Указаны пути от корневого каталога к некоторым файлам, хранящимся на магнитном диске. Заглавными буквами обо­значены имена каталогов, строчными - имена файлов: \SPORT\SKI\russia. txt ; \SPORT\SKI\germany. txt ; \SPORT\SKATE\finland. txt ; \COMPUTER\IBM\INFO\pentium. txt ; \COMPUTER\INFO\ibm. txt . Отобразить файловую структуру в виде дерева.

Самым первым носителем магнитной записи, на котором фиксировалась информация в аппаратах Поульсена на рубеже XIX-ХХвв., была стальная проволока диаметром до 1 мм. В начале XX столетия для этих целей использовалась также стальная катаная лента. Однако качественные характеристики этих носителей были весьма низкими. Достаточно сказать, что для производства 14-часовой магнитной записи докладов на Международном конгрессе в Копенгагене в 1908 г. потребовалось 2500 км проволоки весом около 100 кг. Кроме того, в процессе использования проволоки и стальной ленты возникала трудноразрешимая проблема соединения отдельных их кусков. К примеру, связанная узелком проволока не проходила через магнитную головку. Вдобавок она легко путалась, а тонкая стальная лента резала руки. Стальной магнитный диск, первый патент на который был выдан еще в 1906 г., не получил тогда применения 1 .

Лишь со второй половины 1920-х гг., когда была изобретена порошковая магнитная лента, началось широкомасштабное применение магнитной записи. Патент на технологию нанесения ферромагнитного порошка на пленку получил в 1928 г. Фриц Пфеймер в Германии. Первоначально магнитный порошок наносился на бумажную подложку, затем - на ацетилцеллюлозу, пока не началось применение в качестве подложки высокопрочного

1 Василевскии Ю. А. Носители магнитной записи. М., 1989. С. 5-6.

материала - полиэтилентерефталата (лавсана). Совершенствовалось также и качество магнитного порошка. Стали использоваться, в частности, порошки оксида железа с добавкой кобальта, оксида хрома, металлические магнитные порошки железа и его сплавов, что позволило в несколько раз увеличить плотность записи. Рабочий слой наносится на подложку путем вакуумного напыления или электролитического осаждения в виде магнитного лака, который состоит из магнитного порошка, связующего вещества, растворителя, пластификатора и различных добавок.

Кроме гибкой основы и рабочего магнитного слоя в ленте могут быть и дополнительные слои: защитный - на поверхности рабочего слоя и антифрикционный - на тыльной стороне ленты, с целью предохранения рабочего слоя от механического износа, повышения механической прочности ленты и для улучшения ее скольжения по поверхности магнитной головки. Антифрикционный слой снимает также электрические заряды, которые накапливаются на магнитной ленте. Промежуточный (подслой) между основой и рабочим слоем служит для улучшения сцепления рабочего и антифрикционного слоев с основой.

В отличие от носителей механической звукозаписи, магнитная лента пригодна для многократной записи информации. Число таких записей очень велико и ограничивается только механической прочностью самой магнитной ленты.

Первые магнитофоны, появившиеся в 1930-е гг., были катушечными. В них магнитная лента наматывалась на катушки. Причем вначале это были громадные бобины шириной 1 дюйм (25,4 мм). При записи и воспроизведении пленка перематывалась с заполненной катушки на пустую.

В 1963 г. фирмой Philips была разработана так называемая кассетная запись, позволившая применять очень тонкие магнитные ленты. Их максимальная толщина составляет всего 20 мкм при ширине 3,81 мм. В кассетных магнитофонах обе катушки находятся в специальной компакт-кассете и конец пленки заранее закреплен на пустой катушке. Иначе говоря, здесь магнитная лента и кассета представляют собой единый функциональный механизм. Запись на компакт-кассетах - двухсторонняя. Общее время записи составляет обычно 60, 90 и 120 минут.

В конце 1970-х гг. появились микрокассеты размером 50x33x8 мм, т. е. величиной в спичечную коробку, для портативных диктофонов и телефонов с автоответчиком, а в середине 1980-х гг. - пикокассеты - втрое меньше микрокассет .

С 1952 г. магнитная лента стала использоваться для записи и хранения информации в электронно-вычислительных машинах. Преимуществом магнитной ленты является возможность осуществлять запись с повышенной плотностью за счет того, что общая площадь поверхности магнитного слоя у ленты значительно выше, чем у остальных типов носителей, и ограничена только длиной ленты. Накопители на кассетной магнитной ленте - картриджи достигают емкости в несколько Тбайт, а в ближайшей перспективе их емкость будет составлять десятки Тбайт. Лентопротяжные механизмы для картриджей получили название стримеры (от англ, stream - поток). По принципу действия они похожи на магнитофон.

Вместе с тем магнитной ленте присущ и серьезный недостаток. Она не дает возможности прямого доступа к записанной информации. Для этого ленту необходимо сначала перемотать на нужное место, что существенно увеличивает время считывания с нее информации. Кассеты с магнитной лентой (картриджи) характеризуется также и большими размерами. Поэтому в настоящее время они применяются главным образом в системах резервного копирования в центрах хранения данных, на предприятиях, в крупных информационных центрах, а также для хранения информации в серверах и настольных рабочих станциях, где первостепенное значение имеет надежность, стабильность работы, большая емкость, сравнительно небольшая стоимость. Системы резервного копирования позволяют обеспечить сохранность информации при ошибках, неисправностях или стихийных бедствиях.

На магнитную ленту можно записывать не только звуковую, но и видеоинформацию. Лента для видеосъемки по своему строению аналогична ленте для аудиозаписи. Однако ее рабочий слой имеет обычно более сложную структуру. Дело в том, что видеосигналы высокой частоты записываются у самой поверхности рабочего слоя. Для них можно использовать мелкие частицы металлов. Низкие же частоты лучше передаются крупными частицами, которые целесообразно размещать в глубине. Поэтому рабочий слой магнитной ленты для видеосъемки может состоять из двух слоев. Магнитная лента для видеодокументирования также заправляется в специальные кассеты, которые обеспечивают ей защиту от механических воздействий, загрязнения и быструю зарядку в видеоаппаратуру. Широко распространенные в 1980-е - 1990-е гг. видеокассеты в настоящее время уступили свое место более перспективным носителям видеоинформации.

В электронно-вычислительных машинах на первых порах использовались также магнитные барабаны. В частности, в отечественной большой электроно-счетной машине (БЭСМ-6) применялись магнитные барабаны весом около 8 кг, но с объемом памяти всего лишь 1 Мбайт.

С начала 1960-х гг. широкое применение, прежде всего в запоминающих устройствах ЭВМ, получили магнитные диски. Это алюминиевые или пластмассовые диски диаметром от 30 до 350 мм, покрытые магнитным порошковым рабочим слоем толщиной в несколько микрон. Магнитное покрытие на первых порах состояло из окиси железа, впоследствии - из двуокиси хрома.

В дисководе, как и в магнитофоне, информация записывается с помощью магнитной головки, только не вдоль ленты, а на концентрических магнитных дорожках, расположенных на поверхности вращающегося диска, как правило, с двух сторон. Магнитные диски бывают жесткими и гибкими, сменными и встроенными в персональный компьютер. Их основными характеристиками являются: информационная емкость, время доступа к информации и скорость считывания подряд.

Жесткие несъемные диски в ЭВМ конструктивно объединены в едином блоке с дисководом. Они компонуются в пакеты на одной оси. Пакет дисков помещается в герметичный корпус, который обеспечивает необходимую чистоту и постоянное давление очищенного от пыли воздуха. В настоящее время вместо воздуха началось применение в качестве наполнителя инертного газа гелия, позволяющего за счет его более низкой плотности существенно повысить энергоэффективность.

Каждый диск содержит одинаковое число последовательно расположенных дорожек (треков). Ширина магнитной дорожки составляет примерно 1 мкм. Первая модель жесткого диска, созданного в 1973 г., имела 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром «30/30» известного охотничьего ружья «Винчестер» и породило жаргонное название жестких магнитных дисков - «винчестерские», «винчестеры». Треки представляют собой концентрические окружности, соответствующие зонам остаточной намагниченности, созданной магнитными головками. В свою очередь, каждая из дорожек разбита на последовательно расположенные секторы.

В развитии жестких дисков отчетливо прослеживается основная тенденция - постепенное повышение плотности записи, сопровождающееся увеличением скорости вращения шпиндельной головки и уменьшением времени доступа к информации, а в конечном счете - увеличением производительности. Емкость диска, первоначально достигавшая нескольких Гбайт, к середине второго десятилетия XXI века дошла до 10 Тбайт (ежегодный рост емкости жестких компьютерных дисков составляет 35-40 процентов). Размещение такого объема информации стало возможным на дисках с перпендикулярным способом записи, появившихся в 2007 г. В недалекой перспективе этот способ позволит увеличить емкость до 85 Тбайт (можно записать 86 млн цветных фотографий или 21,5 тыс. фильмов).

Жесткие диски предназначены для постоянного хранения информации, в т.ч. необходимой при работе с компьютером (системное программное обеспечение, пакеты прикладных программ и т. д.). На основе жестких дисков выпускаются также и внешние накопители информации емкостью до нескольких Тбайт.

Гибкие пластмассовые магнитные диски (флоппи-диски, от англ, floppy - свободно висящий) изготавливались из искусственной пленки - майлара, покрытой износоустойчивым ферролаком, и размещались по одному в специальных жестких пластиковых футлярах - кассетах, которые обеспечивают механическую защиту носителя. Кассета с флоппи-диском называется дискетой.

Первый гибкий диск появился в 1967 г. Он имел диаметр 8 дюймов и емкость 100 Кбайт. В 1976 г. размер флоппи-диска удалось уменьшить до 5,25 дюйма, а в 1980 г. фирма Soni разработала дискету и привод-дисковод на 3,5 дюйма, которые преимущественно и выпускались в последующие десятилетия.

Для чтения и записи информации используется специальное электронно-механическое устройство - дисковод, куда помещается дискета. В дискете имеется центральное отверстие под шпиндель привода дисковода, а в футляре сделано закрывающееся металлической шторкой отверстие для доступа магнитных головок, посредством которых производятся чтение и запись информации. Запись на дискету осуществляется по такому же принципу, как и в магнитофоне. Здесь также имеется непосредственный механический контакт головки с магнитным рабочим слоем, что приводит к сравнительно быстрому износу материального носителя.

Емкость одной 3,5-дюймовой дискеты составляла обычно от 1,0 до 2,0 Мбайт. Стандартные дискеты имели емкость 1,44 Мбайт. Однако были разработаны 3,5-дюймовые дискеты емкостью до 250 Мбайт.

Дискеты оказались достаточно привередливыми носителями. Они менее износостойки, нежели жесткие диски, подвержены воздействию магнитных полей и повышенной температуры. Все это часто приводило к утрате записанных данных. Поэтому дискеты использовались преимущественно для оперативного хранения документированной информации. В настоящее время они вытеснены более надежными и эффективными носителями на базе флеш-памяти.

В последней четверти XX века во многих странах мира, а с 1990-х гг. - и в России широкое применение нашли так называемые пластиковые карты, представляющие собой устройства для магнитного способа хранения информации и управления данными.

Предшественниками пластиковых карт были карты, изготавливавшиеся из картона с целью подтверждения кредитоспособности держателя вне банка. В 1928 г. одна из американских компаний приступила к выпуску металлических карточек размером 63 на 35 мм. На них было выдавлено имя владельца, название города, штата и другая информация. Такие карты выдавались постоянным клиентам в крупных магазинах. При оплате товаров продавец прокатывал карточку через специальный аппарат, в результате чего выдавленные на ней буквы и цифры отпечатывались на торговом чеке. Затем этот чек с вписанной от руки суммой покупки отсылался для погашения в банк. Первая же современная кредитная карта, на основе которой возникла платежная система VISA, была выпущена в 1958 г. банком Bank of America .

Пластиковые карты состоят из трех слоев: полиэфирной основы, на которую наносится тонкий рабочий слой, и защитного слоя. В качестве основы обычно используется поливинилхлорид, который легко обрабатывается, устойчив к температурным, химическим и механическим воздействиям. Однако в ряде случаев основой для магнитных карт служит так называемый псевдопластик - плотная бумага или картон с двусторонним ламинированием.

Рабочий слой (ферромагнитный порошок) наносится на пластик методом горячего тиснения в виде отдельных узких полосок. Магнитные полоски по своим физическим свойствам и сфере применения делятся на два типа: высокоэрцетивные и низко- эрцетивные. Высокоэрцетивные полоски имеют черный цвет. Они устойчивы к воздействию магнитных полей. Для их записи нужна более высокая энергия. Используются в качестве кредитных карт, водительских удостоверений и т. п., т. е. в тех случаях, когда требуется повышенная износостойкость и защищенность. Низкоэрцетивные магнитные полосы имеют коричневый цвет. Они менее защищены, но зато проще и быстрее записываются. Используются на картах ограниченного срока действия.

Защитный слой магнитных пластиковых карт состоит из прозрачной полиэфирной пленки. Он призван предохранять рабочий слой от износа. Иногда используются покрытия, предохраняющие от подделки и копирования. Защитный слой обеспечивает до двух десятков тысяч циклов записи и чтения.

Следует заметить, что, кроме магнитного, существуют и другие способы записи информации на пластиковую карту: графическая запись, эмбоссирование (механическое выдавливание), штрих-кодирование, лазерная запись.

В настоящее время в пластиковых картах вместо магнитных полосок все более широко стали применяться электронные чипы. Такие карты, в отличие от простых магнитных, стали называть интеллектуальными или смарт-картами (от англ, smart -умный). Встроенный в них микропроцессор позволяет хранить значительный объем информации, дает возможность производить необходимые расчеты в системе банковских и торговых платежей, превращая, таким образом, пластиковые карты в многофункциональные носители информации.

По способу доступа к микропроцессору (интерфейсу) смарт- карты могут быть:

• - с контактным интерфейсом (т. е. при совершении операции карта вставляется в электронный терминал);
• - с дуальным интерфейсом (могут действовать как контактно, так и бесконтактно, т. е. обмен данными между картой и внешними устройствами может осуществляться через радиоканал).

Размеры пластиковых карт стандартизованы. В соответствии с международным стандартом ISO-7810 их длина равна 85,595 мм, ширина - 53,975 мм, толщина - 3,18 мм.

Сфера применения магнитных пластиковых и псевдопласти- ковых карт, а также смарт-карт достаточно обширна. Помимо банковских систем, они используются в качестве компактного носителя информации, идентификатора автоматизированных систем учета и контроля, удостоверения, пропуска, интернет-карты, SIM-карты сотовой связи, билета для проезда на транспорте, электронного (биометрического) паспорта и т. п.

Материальные носители магнитной записи постоянно совершенствуются вместе с технологиями электромагнитного документирования. Наблюдается тенденция к увеличению плотности записи информации на магнитных носителях при уменьшении их размеров и сокращении времени доступа к информации. Разрабатываются такие технологии, которые уже в недалеком будущем позволят увеличить объем памяти стандартного носителя в несколько тысяч раз по сравнению с ныне действующими устройствами. А в более отдаленной перспективе ожидается появление носителя, где роль магнитных частиц будут играть отдельные атомы. В результате его емкость, по мнению разработчиков, в миллиарды раз превысит существующие в настоящее время стандарты .

• Василевский Ю. А. Указ. соч. С. 11, 225, 227-228; Левин В. И. Указ. соч.С. 23-24.
• Мануков С. Как не стать карточным болваном // Компания. 2009.№ 27-28. С. 52.
• Фрадкин В. Прошлое, настоящее и будущее носителей информации //Компьютер Price. 2003. № 46.