Лекция 8. Внешние запоминающие устройства

8.1. Что такое внешняя память

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:

ОЗУ Кэш Процессор» height=24 src=»http://techn.sstu.ru/kafedri/%D0%BF%D0%BE%D0%B4%D1%80%D0%B0%D0%B7%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F/1/MetMat/shaturn/inform/%D0%9B%D0%B5%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F%208/0008.gif» width=316>

В состав внешней памяти компьютера входят:

• накопители на жёстких магнитных дисках;
• накопители на гибких магнитных дисках;
• накопители на компакт-дисках;
• накопители на магнито-оптических компакт-дисках;
• накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.

8.2. Накопители на гибких магнитных дисках

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

Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.

Способ записи двоичной информации на магнитной среде называется магнитным кодированием. Он заключается в том, что магнитные домены в среде выстраиваются вдоль дорожек в направлении приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обычно устанавливается однозначное соответствие между двоичной информацией и ориентацией магнитных доменов.

Информация записывается по концентрическим дорожкам ( трекам ), которые делятся на секторы . Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов.

В настоящее время наибольшее распространение получили дискеты со следующими характеристиками: диаметр 3,5 дюйма (89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18.

Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy-disk drive ), автоматически в нем фиксируется , после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 мин -1 . В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

В последнее время появились трехдюймовые дискеты, которые могут хранить до 3 Гбайт информации. Они изготовливаются по новой технологии Nano2 и требуют специального оборудования для чтения и записи.

8.3. Накопители на жестких магнитных дисках

Если гибкие диски — это средство переноса данных между компьютерами, то жесткий диск — информационный склад компьютера .

Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ. HDD — Hard Disk Drive) или винчестерский накопитель — это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины — платтеры , обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации — программ и данных.

Рис. 8.1. Винчестерский накопитель
со снятой крышкой корпуса

Как и у дискеты, рабочие поверхности платтеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки — на секторы. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке модуля данных на дисковод он автоматически соединяется с системой, подкачивающей очищенный охлажденный воздух. Поверхность платтера имеет магнитное покрытие толщиной всего лишь в 1,1 мкм, а также слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъёме на ходу. При вращении платтера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 0,5 мкм над поверхностью диска.

Винчестерские накопители имеют очень большую ёмкость: от 10 до 100 Гбайт. У современных моделей скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 7200 об/мин, среднее время поиска данных 9 мс, средняя скорость передачи данных до 60 Мбайт/с. В отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно . Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем (обычно 2 Мбайта), который существенно повышает их производительность. Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска.

8.4. Накопители на компакт-дисках

Здесь носителем информации является CD-ROM (Сompact Disk Read-Only Memory — компакт диск, из которого можно только читать).

CD-ROM представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра.

Информация на диске представляется в виде последовательности впадин (углублений в диске) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположеных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска. На каждом дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Для сравнения — на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек. Емкость CD достигает 780 Мбайт . Информация наносится на диск при его изготовлении и не может быть изменена.

CD-ROM обладают высокой удельной информационной емкостью, что позволяет создавать на их основе справочные системы и учебные комплексы с большой иллюстративной базой. Один CD по информационной емкости равен почти 500 дискетам. Cчитывание информации с CD-ROM происходит с достаточно высокой скоростью, хотя и заметно меньшей, чем скорость работы накопителей на жестком диске. CD-ROM просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, c них невозможно случайно стереть информацию.

В отличие от магнитных дисков, компакт-диски имеют не множество кольцевых дорожек, а одну — спиральную, как у грампластинок. В связи с этим, угловая скорость вращения диска не постоянна. Она линейно уменьшается в процессе продвижения читающей лазерной головки к краю диска.

Рис. 8.2. Накопитель CD-ROM

Для работы с CD-ROM нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM (рис. 8.2), преобразующий последовательность углублений и выступов на поверхности CD-ROM в последовательность двоичных сигналов. Для этого используется считывающая головка с микролазером и светодиодом. Глубина впадин на поверхности диска равна четверти длины волны лазерного света. Если в двух последовательных тактах считывания информации луч света лазерной головки переходит с выступа на дно впадины или обратно, разность длин путей света в этих тактах меняется на полуволну, что вызывает усиление или ослабление совместно попадающих на светодиод прямого и отраженного от диска света.

Если в последовательных тактах считывания длина пути света не меняется, то и состояние светодиода не меняется. В результате ток через светодиод образует последовательность двоичных электрических сигналов, соответствующих сочетанию впадин и выступов на дорожке.

Профиль дорожки CD-ROM

Различная длина оптического пути луча света в двух последовательных тактах считывания информации соответствует двоичным единицам. Одинаковая длина соответствует двоичным нулям.

Сегодня почти все персональные компьютеры имеют накопитель CD-ROM. Но многие мультимедийные интерактивные программы слишком велики, чтобы поместиться на одном CD. На смену технологии СD-ROM стремительно идет технология цифровых видеодисков DVD . Эти диски имеют тот же размер, что и обычные CD, но вмещают до 17 Гбайт данных , т.е. по объему заменяют 20 стандартных дисков CD-ROM. На таких дисках выпускаются мультимедийные игры и интерактивные видеофильмы отличного качества, позволяющие зрителю просматривать эпизоды под разными углами камеры, выбирать различные варианты окончания картины, знакомиться с биографиями снявшихся актеров, наслаждаться великолепным качеством звука.

8.5. Записывающие оптические и магнитооптические накопители

· Записывающий накопитель CD-R (Compact Disk Recordable) способен, наряду с прочтением обычных компакт-дисков, записывать информацию на специальные оптические диски емкостью 650 Мбайт. В дисках CD-R отражающий слой выполнен из золотой пленки. Между этим слоем и поликарбонатной 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.

Рис.8.3. Накопитель CD-MO

· Накопитель на магнито-оптических компакт-дисках СD-MO (Compact Disk — Magneto Optical) (рис. 8.3). Диски СD-MO можно многократно использовать для записи. Ёмкость от 128 Мбайт до 2,6 Гбайт.

· Накопитель WARM (Write And Read Many times), позволяет производить многократную запись и считывание.

8.6. Накопители на магнитной ленте (стримеры) и накопители на сменных дисках

Стример (англ. tape streamer) — устройство для резервного копирования больших объёмов информации. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой ёмкостью 1 — 2 Гбайта и больше.

Рис. 8.4. Накопитель
на сменных дисках

Стримеры позволяют записать на небольшую кассету с магнитной лентой огромное количество информации. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед её записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объём сохраняемой информации.

Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации.

В последнее время всё шире используются накопители на сменных дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объём сменных дисков — от сотен Мбайт до нескольких Гигабайт.

Источник

Организация хранения информации во внешней памяти

Во внешней памяти используется иерархическая структура хранения информации.

На самом нижнем уровне содержится файл. Полный путь к файлу содержит имя устройства, каталог, подкаталог и т.д., и, наконец, имя файла. Все эти элементы разделяются специальным символом /(обратный слеш).

• Файл – поименованная совокупность данных, размещенных на ВЗУ, хранимая и обрабатываемая как единое целое.

• Имя файла состоит из 2-х частей, разделенных точкой:

собственно имя файла и расширение, определяющее тип файла.

Типы файлов и их расширения

Типы файлов	Расширения
Программы	.exe, .com
Текстовые	.txt, .doc
Графические	.bmp, .gif, .jpg
Звуковые	.wav, .mid, .mp3
Видеофайлы	.avi, .mov
Программные (язык программирования)	.bas, .pas

• Системы программирования – совокупность программ и программных комплексов, обеспечивающих технологию разработки, отладки и внедрения создаваемых программных продуктов.

• Пакет Borland Delphi (Pascal),

• Пакет Microsoft Visual Basic ( Turbo Basic),

• Пакет Borland C++ (C).

Средства разработки программ

• Транслятор (для перевода программы в машинные коды),

• Интегрированная среда разработки,

• Средства создания и редактирования текстов,

• Обширные библиотеки стандартных программ и функций,

• «Дружественную» к пользователю диалоговую среду,

• Многооконный режим работы,

• Мощные графические библиотеки,

• Утилиты для работы с библиотеками,

• Встроенную справочную службу.

• Пакет прикладных программ – комплекс взаимосвязанных программ для решения задач определенного класса конкретной предметной области.

Источник

IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2017

ОРГАНИЗАЦИЯ ДАННЫХ ВО ВНЕШНЕЙ ПАМЯТИ ЭВМ

В качестве внешней памяти ЭВМ используются магнитные диски (для которых характерно примерное равенство затрат времени на чтение и запись). Время доступа к данным на ВЗУ зависит от места расположения данных на диске или ленте, что существенно отличает их от оперативной памяти и определяет специфику организации данных во внешней памяти ЭВМ. Данные на ВЗУ хранятся в виде файлов. Файл представляет собой множество логически связанных записей. Файл – это некоторое множество записей однородной структуры, предназначенное для решения экономических задач. Запись – это набор полей̆ определенного формата, объединенных по общему ключевому полю. Запись обычно соответствует одному значению некоторой СЕИ. Каждый файл имеет уникальное имя файла. В простейшем случае файл представляет последовательный массив записей на ВЗУ. Все файлы ЭИС можно классифицировать по следующим признакам:

по этапам обработки (входные, базовые, результатные);

по типу носителя (на промежуточных носителях – ГМД и лентах и неосновных носителях – ЖМД, магнитооптических дисках и т.д.);

по составу информации (файлы с оперативной̆ информацией̆ и файлы с постоянной̆ информацией̆);

по типу логической организации (файлы с линейной структурой записи реляционные, табличные);

по способу физической̆ организации (файлы с последовательным, индексным и прямым способом доступа).

Входные файлы создаются с первичных документов для ввода данных или обновления базовых файлов.

Файлы с результативной информацией предназначаются для вывода ее на печать или передачи по каналам связи и не подлежат длительному хранению. К числу базовых файлов, хранящихся в информационной̆ базе (ИБ), от- носятся:

1. Основные файлы должны иметь однородную структуру записей̆ и могут содержать записи с оперативной̆ и условно-постоянной информацией̆. Оперативные файлы могут создаваться на базе одного или нескольких входных файлов и отражать информацию одного или нескольких первичных документов. Файлы с условно-постоянной̆ информацией̆ могут содержать справочную. Расценочную, табличную и другие виды информации, изменяющееся в течение года не более чем на 40%. Файлы со справочной̆ информацией̆ должны отражать все характеристики элементов материального производства (материалы, сырье, основные фонды, трудовые ресурсы и т.д.). Как правило, справочники содержат информацию классификаторов. Нормативно-расценочные файлы должны содержать данные о нормах расхода и расценках на выполнение опера- ций и услуг. Табличные файлы содержат сведения об экономических показателях, считающихся постоянными в течение длительного времени. Плановые файлы содержат плановые показатели, хранящиеся весь плановый̆ период.

2. Рабочие файлы создаются для решения конкретных задач на базе основных файлов путем выборки части информации из нескольких основных файлов с целью сокращения времени обработки.

3. Промежуточные файлы отличаются от рабочих тем, что они образуются с целью дальнейшего использования для решения других задач. Эти файлы, как и рабочие, при высокой̆ частоте обращений могут быть также переведены в категорию основных файлов.

4. Служебные файлы предназначаются для ускорения поиска информации в основных файлах и включают в себя справочники, индексные файлы и каталоги.

5. Архивные файлы содержат ретроспективные данные из основных фай- лов, которые используются для решения аналитических. Например, прогнозных задач. Архивные данные могут также использоваться для восстановления ИБ при разрушениях.

Методы организации данных во внешней̆ памяти ЭВМ.

Анализ методов организации данных остается в основном справедливыми ля данных во внешней̆ памяти ЭВМ, однако серьезным фактором, влияющим на время доступа, становится взаимное расположение файлов и записей̆ на маг- нитном носителе. Определим адресное расстояние dA как разность адресов предыдущего и текущего обращения к запоминающему устройству, взятую со знаком +.dA = |A(i — 1) – A(i) |Чтобы применять адресное расстояние ко всем типам запоминающих устройств, нужно учесть, что с магнитного диска читается (записывается) не отдельный символ (байт), а сектор или блок данных размером, например, 512 байт. Организация внешней̆ памяти персональных ЭВМ имеет ряд отличий от принципов, используемых в мини-ЭВМ и средних ЭВМ. Вся внешняя память разделена на физические блоки (секторы), имеющие фиксированный размер (обычно 512 байт), который̆ не зависит от желания проектировщика системы. Обмен с оперативной̆ памятью происходит только целыми секторами. Когда производится только последовательная обработка файла, оптимальный (с точки зрения минимального времени доступа) размер блока должен быть наиболее крупным из возможных; когда происходит только выборка оди- ночных записей̆, оптимальными являются блоки размером в одну запись. Существует ряд стандартных методов организации файлов на магнитном диске и соответственно методов доступа к этим фиалам. Среди них:

прямая организация данных.

При последовательной организации файла на магнитном диске возможен доступ от только что обработанной̆ записи к последующей̆ записи (по направлению к концу файла). Переход в обратном направлении не возможен, единст- венный путь состоит в закрытии файла, повторном его открытии и движения к нужной̆ записи в прямом направлении. Индексно-последовательный̆ файл представляет собой̆ последовательный̆ файл, снабжённый̆ индексами. Индекс – это набор ключей̆ и адресов записей̆, которые выбираются из основного массива по определенному закону. На магнитном диске выделяются 3 области:

В первичной области помещаются упорядоченные по значениям ключевого атрибута записи, когда файл впервые создается. В зависимости от размера первичной̆ области могут создаваться 1, 2 или 3 уровня индексов: индекс первого уровня отмечает последнюю запись каждой̆ дорожки магнитного диска,

индекс второго уровня отмечает последнюю запись каждого цилиндра магнитного диска, Если файл индекса второго уровня достаточно велик по размеру, то для него допускается создание индекса третьего уровня. Область переполнения предназначена для размещения записей. Включаемых в индексно-последовательный файл. Новые записи связываются в цепочку и размещаются на том цилиндре, при котором ключи новых записей соответствуют интервалу ключей в первичной области этого цилиндра.

Характеристики индексно-последовательного доступа:

1. значения ключей записей должны быть отсортированы;

2. в индекс заносится наибольший̆ ключ для всех записей̆ блока (до-рожки);

3. наличие повторяющихся значений ключа недопустимо;

4. эффективность доступа зависит от числа уровней индексации, распре-деления памяти для размещения индекса, числа записей̆ в файле и размера об- ласти переполнения.

Индексно-произвольный доступ получается, если в индекс попадает информация о ключе каждой̆ записи. Записи файла могут быть при этом не упорядочены по значению ключа. Индекс для индексно-произвольного метода доступа практически всегда формируется как многоуровневый̆. Типичная организация многоуровневого индекса соответствует понятию В-дерева. Нижний̆ уровень В-дерева образуют индексы со ссылкой̆ на каждую запись основ- ного массива. Благодаря использованию адресных ссылок упорядоченность основного массива е обязательна. Индексы нижнего уровня разделены на страницы, и в конце каждой̆ страницы оставляется резервная память. Последний̆ индекс каждой̆ страницы поступает на страницу предпоследнего уровня В-дерева. Когда эта страница будет почти заполнена индексами, последний̆ из них поступит на страницу более высокого уровня и т.д. Прямой̆ метод доступа соответствует файлу, который̆ использует адресную функцию вида i = p – a Адресной̆ функцией̆ называется зависимость i = f(p), где i – номер (адрес) записи – значение ключевого атрибута в записи.

Простейшая адресная функция имеет вид: i = p – a, где а – константа. Недостаток этой̆ функции – большой̆ объем неиспользуемой̆ памяти. Для прямого доступа характерны следующие особенности:

не требуется упорядоченность записей̆ файла;

наличие повторяющихся значений ключа недопустимо;

значениям нескольких ключей̆ может соответствовать один и тот же адрес (блок).

При выборе метода организации файла существенное влияние оказывает количество записей, которое должно быть обработано в процессе реализации запроса. Этот параметр называется долей выборки и равен отношению числа требуемых при выборке записей файла к общему числу записей в файле. Блок данных на внешнем запоминающем устройстве обычно не заполняется полностью, т.е. оставляется резервная память (обычно 10-15% размера блока). Если этого не делать. То включение новых записей̆ потребует создания для них новых блоков практически при каждой корректировке. Эти блоки будут содержать, довольно, мало записей, от чего резко возрастет объем дополнительной памяти, необходимый для массива. Когда резервная память блока будет исчерпана и в него потребуется включить новую запись, наступает переполнение блока. Частота переполнения описывается формулой: K = (V + 1)/(2p – 1);где К – ожидаемое число корректирующих обращений (включений и исключений записей) к одному блоку до наступления переполнения – объем свободной̆ памяти блока, выраженный в количестве записей; р >0.5 – вероятность того, что корректирующее обращения является включением. Если р

Источник