С появлением компьютеров очень остро встал вопрос хранения информации, которая изначально подавалась в цифровом виде. И сейчас эта проблема весьма актуальна, ведь те же фотографии или видео хочется сберечь на долгую память. Именно поэтому изначально придется найти ответ на вопрос о том, для долговременного хранения информации служат какие устройства и носители. Также следует в полной мере оценить все их преимущества и недостатки.
В наше время на компьютерах можно встретить несколько основных типов информационных данных. Наиболее распространенными формами являются текстовые, графические, аудио, видео, математические и другие форматы.
В самом простом варианте для хранения информации служат жесткие диски компьютеров, на которые пользователь сохраняет файл изначально. Но это только одна сторона медали, ведь для того, чтобы эту информацию просмотреть (извлечь), нужна как минимум операционная система и соответствующие программы, которые по большому счету тоже представляют собой информационные данные.
Интересно, что в школах на уроках информатики при выборе правильного варианта ответа на такие вопросы часто встречается утверждение, что, мол, для долговременного хранения информации служит оперативная память. И школьники, не знакомые со спецификой и принципами ее работы, считают это верным ответом.
К сожалению, они ошибаются, поскольку в ОЗУ хранится только информация о запущенных в данный момент процессах, а при их завершении или перезагрузке системы оперативная память полностью очищается. Это похоже на принцип действия некогда популярных детских игрушек для рисования, когда на экране сначала можно было что-то нарисовать, а потом встряхнуть игрушку, и рисунок исчезал, или когда учитель стирает с классной доски текст, написанный мелом.
Самый первый метод сохранения информации в виде наскальных рисунков (кстати, графика) известен еще с незапамятных времен.
Намного позже с появлением речи сохранение информации стало представлять собой процесс, так сказать, передачи из уст в уста (мифы, легенды, былины). Письменность привела к тому, что стали появляться книги. Не забывались и картины или рисунки. С появлением технологий фотографии, записи звука и видео, на информационном поле появились соответствующие носители. Но все это оказывалось недолговечным.
Что же касается компьютерных систем, следует четко понимать, каким именно требованиям должны соответствовать современные носители, чтобы информация хранилась на них максимально долго.
Самое главное требование - долговечность и устойчивость к износу и физическим или другим повреждениям. И применительно к любому типу носителей о временных промежутках можно говорить весьма относительно, ведь, как известно, «ничто не вечно под Луной».
Теперь перейдем непосредственно к устройствам, на которых данные любого типа можно хранить, если не вечно, то по крайней мере достаточно долго. Итак, для долговременного хранения информации служат носители каких типов?
Среди наиболее часто используемых применительно к компьютерной технике выделяют следующие:
Как видно из приведенного перечня, только встраиваемые в компьютеры винчестеры относятся к внутренним устройствам хранения данных. Все остальные носители являются внешними.
Но все они в той или иной мере подвержены старению или внешним воздействиям. В этом смысле дискеты или те же CD-диски или носители другого формата являются самыми небезопасными, хотя оптические носители в этом отношении выглядят более износоустойчивыми. Но сколько они могут прослужить? 5-10 лет? А ведь если информацию, на них хранящуюся, просматривать очень часто, срок службы сокращается.
Флэш-накопители и винчестеры обладают более долгими сроками эксплуатации, но и они не застрахованы от износа, повреждений и старения.
Винчестеры начинают «сыпаться» (это естественный процесс), флэшки могут подвергаться воздействию того же солнечного света, влаги или даже удалять данные при неправильном извлечении или программных сбоях. Кроме того, есть еще множество дополнительных факторов, которые могут привести к неработоспособности устройств.
Тем не менее, говоря о том, что для долговременного хранения информации служат устройства, приведенные в списке выше, стоит учитывать, что такая классификация приводится исключительно для нынешнего положения дел в компьютерном мире. Кто знает, может, даже в уже обозримом будущем будут изобретены совершенно новые носители, использующие другие технологии, ведь как утверждается, создание квантовых компьютеров уже не за горами.
Устройства хранения информации (внешняя память) - компоненты компьютера, позволяющие практически неограниченное время сохранять большие объемы информации без потребления электроэнергии (энергонезависимые).
Первыми такими устройствами для ПК были Floppy-дисководы (FDD) и сменные дискеты - вначале пятидюймовые (5,25”) емкостью 360 Кб и 1,2 Мб, затем трехдюймовые (3,5”) емкостью 1, 44 Мб. В настоящее время применяются редко в связи с широким распространением устройств флэш-памяти емкостью в несколько гигабайт.
Характерной особенностью внешней памяти является то, что ее устройства оперируют блоками информации, но никак не байтами или словами, как это позволяет оперативная память. Эти блоки обычно имеют фиксированный размер, кратный степени числа 2. Блок может быть переписан из внутренней памяти во внешнюю или обратно только целиком, и для выполнения любой операции обмена с внешней памятью требуется специальная процедура (подпрограмма). Процедуры обмена с устройствами внешней памяти привязаны к типу устройства, его контроллеру и способу подключения устройства к системе (интерфейсу).
Внешняя память используется для долговременного хранения больших объемов информации. В современных компьютерных системах в качестве устройств внешней памяти наиболее часто применяются:
* накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД)
* накопители на гибких магнитных дисках (НГМД)
* накопители на оптических дисках
* магнитооптические носители информации.
Внешняя память - это память, реализованная в виде внешних, относительно материнской платы, устройств с разными принципами хранения информации и типами носителя, предназначенных для долговременного хранения информации. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Устройства внешней памяти могут размещаться как в системном блоке компьютера, так и в отдельных корпусах. Физически, внешняя память реализована в виде накопителей.
Накопители - это запоминающие устройства, предназначенные для продолжительного (что не зависит от электропитания) хранения больших объемов информации. Емкость накопителей в сотни раз превышает емкость оперативной памяти или вообще неограниченная, когда речь идет о накопителях со сменными носителями.
Носитель - это физическая среда хранения информации, по внешнему виду может быть дисковым или ленточным. По принципу запоминания различают магнитные, оптические и магнитооптические носители. Ленточные носители могут быть лишь магнитными, в дисковых носителях используют магнитные, магнитооптические и оптические методы записи-считывания информации.
В качестве накопителей информации используются внешние ЗУ, которые реализуются в виде соответствующих технических средств для хранения информации. Все накопители, применяемые в ПК, по конструктивному исполнению унифицированы. Их типоразмеры стандартизированы: наиболее жестко задается ширина и высота устройств, глубина ограничена только максимально допустимым значением. Такая стандартизация необходима для унификации конструктивных отсеков корпусов ПК.
Внешняя память может быть с произвольным доступом и последовательным доступом. Устройства памяти с произвольным доступом позволяют получить доступ к произвольному блоку данных примерно за одно и то же время доступа. Устройства памяти споследовательным доступом позволяют осуществлять доступ к данным последовательно, т.е. для того, чтобы считать нужный блок памяти, необходимо считать все предшествующие блоки.
Выделяют следующие основные типы устройств памяти:
1. Накопители на жёстких магнитных дисках (винчестеры, НЖМД) - несъемные жесткие магнитные диски. Они относятся к внешним ЗУ с прямым доступом к данным и подразделяются на внутренние, устанавливаемые в системный блок компьютера и внешние (переносные) по отношению к системному блоку.
2. Накопители на гибких магнитных дисках (флоппи-дисководы, НГМД) - устройства для записи и считывания информации с небольших съемных магнитных дисков (дискет), упакованные в пластиковый конверт (гибкий - у 5,25 дюймовых дискет и жесткий у 3,5 дюймовых). Относятся к внешним ЗУ с прямым (произвольным) доступом к данным, хранящихся на магнитном диске и предназначены для долговременного хранения относительно небольших объемов информации.
3. Накопители информации на оптических дисках относятся к внешним ЗУ с прямым (произвольным) доступом к данным и предназначены для долговременного хранения относительно больших объемов информации (сотни мегабайт и десятки гигабайт).
4. Накопители информации на основе флэш-памяти относятся к внешним ЗУ с прямым (произвольным) доступом к данным и предназначены для долговременного хранения относительно небольших объемов информации (единицы гигабайт).
5. Накопители на магнитных лентах (НМЛ)- устройства считывания данных с магнитной ленты, которые относятся к внешним ЗУ с последовательным доступом. Такие накопители достаточно медленные, хотя и большой ёмкости. Современные устройства для работы с магнитными лентами - стримеры - имеют увеличенную скорость записи 4-5Мбайт в сек. Существуют также, устройства позволяющие записывать цифровую информацию на видеокассеты, что позволяет хранить на 1 кассете 2 Гбайта информации. Магнитные ленты обычно используются для создания архивов данных для долговременного хранения информации.
6. Перфокарты - карточки из плотной бумаги и перфоленты - катушки с бумажной лентой, на которых информация кодируется путем пробивания (перфорирования) отверстий. Для считывания данных применяются устройства последовательного доступа.
В настоящее время устройства с последовательным доступом к данными НГМД морально устарели и не применяются, поэтому подробно мы их рассматривать не будем.
Средства долговременного хранения и накопления данных (внешнее запоминающие устройство) обеспечивают запись и чтение больших массивов информации, в качестве которых могут использоваться: тексты программ на языках высокого уровня, программы в машинных кодах, файлы с данными и т.д. В качестве внешних запоминающих устройств в ПЭВМ в основном используются накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопители на жестких магнитных дисках (НМД) типа "винчестер".
Накопители на гибких магнитных дисках являются основными устройствами внешней памяти ПЭВМ. Носителем информации в НГМД служит гибкий магнитный диск (ГМД), изготовленный из синтетической пленки, покрытой износоустойчивым ферролаком. Информация на ГМД размещается в последовательном коде на концентрических окружностях (дорожках), каждая из которых разбита на секторы. Сектор является единицей обмена данными между ОП и НГМД. В одном секторе может размещаться 128,256, 512 или 1024 байт данных. В ПЭВМ перечисленные форматы данных можно устанавливать программно.
ГМД имеет установочное отверстие (УО) для фиксации диска в дисководе и индексное отверстие (ИО) для идентификации начала дорожек. Для защиты от неблагоприятных воздействий внешней среды ГМД помещается в прямоугольный конверт, имеющий прорезь для подвода магнитных головок (ПМГ), прорезь индексного отверстия (ПИО) и отверстие крепления ГМД в дисководе (ОКД). Информация, которая записывается на ГМД, по своему назначению подразделяется на служебную и рабочую. Служебная информация используется для управления и синхронизации работы НГМД. Она в свою очередь подразделяется на информацию, индентефицирующую дорожку, и информацию, индентефицирующую сектор. Рабочая информация представляет данные пользователя.
Емкость НГМД в ПЭВМ составляет 160 Кбайт и более в зависимости от количества магнитных головок в накопителе и плотности записи данных на ГМД. Существуют следующие разновидности НГМД: с одинарной и двойной плотностью записи; односторонние - с одной и двусторонние - с двумя МГ. В двусторонних НГМД для записи и чтения данных можно использовать обе поверхности ГМД. В соответствии с разновидностями НГМД принята и соответствующая маркировка ГМД: SS - односторонний диск одинарной плотности; SD - односторонний диск двойной плотности; DD - двусторонний диск двойной плотности.
Наряду с НГМД развитые модели ПЭВМ комплектуются также накопителями на магнитных дисках типа "винчестер". Их отличительные особенности -герметично закрытая единая конструкция диска, магнитных головок чтение-записи и их привода, небольшой зазор (по сравнению с обычными НДМ) между магнитными головками и поверхностью диска(0,5 мкм), небольшое давление прижима магнитной головки (10 г по сравнению с 350 г в обычных НМД), малая толщина магнитного диска.
Герметично закрытая конструкция увеличивает в 2 раза надежность работы по сравнению с обычным НМД. Уменьшение зазора между поверхностью диска и магнитными головками значительно увеличивает продольную и поперечную плотность записи. НМД типа "винчестер" считаются третьем поколением НМД и имеют близкие к предельным характеристики. Так, НМД диаметром 356 мм на одной поверхности может включать до 1770 дорожек (1300 Мбайт информации).
Разработка модемов.
Первые системы обработки информации, в которых для подключения абонентов к ЭВМ применялась телеграфная аппаратура, были созданы в начале 60-х годов. В таких системах передача велась с применением обычной телеграфной аппаратуры при относительно низких скоростях, не превышающих 110 бит/сек.
Следующим этапом в развитии систем передачи данных явилась разработка модемов, обеспечивающих возможность передачи двоичной информации по телефонным линиям.
Модем - электронное устройство, наделенное функциями модулирования данных на передающем конце линии связи и демодулирования на принимающем конце линии связи. Модулирование сигнала означает преобразование сигнала к виду, позволяющему передавать его на дальние расстояния. Например, типичный акустический модем оборудован двумя чашеобразными рецепторами, на которые кладется телефонная трубка. Модем подсоединен к компьютеру, от которого принимает информацию в виде последовательности двоичных сигналов - битов. Однако телефон предназначен для передачи звуковой частоты, а двоичные биты - это всего лишь электрические импульсы, не слышные человеческому уху. Поэтому электрические импульсы предварительно преобразуются в модеме в сигналы звуковой частоты, а затем передаются по телефонным линиям. На другом конце происходит обратный процесс переводы сигналов звуковой частоты в последовательность двоичных электрических импульсов - битов, пригодных для работы компьютера. Такие преобразования называются модулированием и демодулированием, описанное устройство является всего лишь простейшим модемом.
Первые образцы модемов имели относительно низкую скорость передачи данных, однако в дальнейшем скорость передачи по коммутируемым каналам возросла до 1200 бит/сек в дуплексном режиме - режиме одновременного ввода и вывода информации или до 9600 бит/сек в полудуплексном режиме - режиме предназначенном для поочередного ввода и вывода информации.
С середины 60-х годов начинается интенсивное развитие специализированных систем обработки информации, базирующихся на выделенных каналах. Такие системы создаются для обеспечения потребностей отдельных организаций, владеющих как вычислительными ресурсами, так и каналами связи. Однако эксплуатация таких систем показала, что применяемые в них вычислительные ресурсы и каналы связи используются недостаточно эффективно, системы оказываются дорогими и мало приспособленными к изменяющимся условиям. Выявилась потребность многих пользователей обращаться к мощным вычислительным машинам на относительно короткие промежутки времени.
Все это привело к разработке систем передачи данных коллективного пользования, в которых многие пользователи могут через сети связи общего пользования подключаться по своему выбору к различным средствам обработки информации.
Клавиатура.
Клавиатура важное и универсальное устройство ввода информации в компьютер.
По расположению клавиш настольные клавиатуры делятся на два основных типа, функционально ничуть не уступающие друг другу. В первом варианте функциональные клавиши располагаются в двух вертикальных рядах, а отдельных группы клавиш управления курсором нет. Всего в такой клавиатуре 84 клавиши.
Второй вариант клавиатуры, которую принято называть усовершенствованной, имеет 101 или 102 клавиши. Клавиатурой такого типа снабжаются сегодня почти все настольные персональные компьютеры. Профессионалы не любят эту клавиатуру из-за того, что к функциональным клавишам приходиться далеко тянуться, в самый верхний ряд клавиш через всю буквенную клавиатуру. Однако количество функциональных клавиш в усовершенствованной клавиатуре не 10, а все 12.
В портативном компьютере клавиатура обычно является встроенной частью конструкции.
Расположение буквенных клавиш на компьютерных клавиатурах стандартно. Сегодня повсеместно применяется стандарт QWERTY -по первым шести латинским буквенным клавишам верхнего ряда. Ему соответствует отечественный стандарт ЙЦУКЕН расположения клавиш кириллицы, практически аналогичный расположению клавиш на пишущей машинке.
Стандартизация в размере и расположении клавиш нужна для того, чтобы пользователь на любой клавиатуре мог без переучивания работать “слепым методом”. Слепой десятипальцевый метод работы является наиболее продуктивным, профессиональным и эффективным. Увы, клавиатура из-за низкой производительности пользователя оказывается сегодня самым “узким местом” быстродействующей вычислительной системы.
Работать с клавиатурой очень просто и наглядно. Чтобы каждому символу клавиатуры поставить в соответствие определенный байт информации, используют специальную таблицу кодов ASCII (American Standart Code for Information Interchange) -американский стандарт кодов для обмена информацией, применяемой на большинстве компьютеров.
После нажатия клавиши клавиатура посылает процессору сигнал прерывания и заставляет процессор приостановить свою работу и переключиться на программу обработки прерывания клавиатуры.
При этом клавиатура в своей собственной специальной памяти запоминает, какая клавиша была нажата (обычно в памяти клавиатуры может храниться до 20 кодов нажатых клавиш, если процессор не успевает ответить на прерывание). После передачи кода нажатой клавиши процессору эта информация из памяти клавиатуры исчезает.
Кроме нажатия клавиатура отмечает также и отпускание каждой клавиши, посылая процессору свой сигнал прерывания с соответствующим кодом.
Ввод символов с клавиатуры осуществляется только в той точке экрана, где располагается курсор. Курсор представляет собой прямоугольник или черту контрастного цвета длинной в один символ.
Специальные клавиши клавиатуры : Специальные (служебные) клавиши выполняют следующие основные функции: {ENTER} -ввод команд на выполнение процессором; {ESC} -отмена какого-либо действия; {TAB} -перемещение курсора на позицию табуляции; {INS} -переключение режима вставки символа в положении курсора в ражим забоя символа в положении курсора;
{DEL} -удаление символа в положении курсора;
{BACKSPACE} -удаление символа слева от курсора;
{HOME} -перемещение курсора в начало текста;
{END} -перемещение курсора в конец текста;
{PGUP} -перемещение курсора на одну экранную страницу по тексту вверх;
{PGDN} -перемещение курсора на одну экранную страницу по тексту вниз;
{ALT} и {CTRL} -при одновременном нажатии этих клавиш с какой-либо другой вызывается изменение действия последней;
{SHIFT} -удержание этой клавиши в нажатом состоянии обеспечивает смену регистра;
{CAPS LOCK} -фиксация/расфиксация регистра заглавных букв;
Тема №2. Технические средства хранения информации
Цель : Дать основные понятия по физической и логической организации хранения данных на персональном компьютере.
Задачи обучения: Ознакомление c внутренними и внешними устройствами компьютеров, основными средствами хранения документов.
Основные вопросы темы:
1. Основные устройства, применяемые для долговременного хранения данных на ПК.
2. Логическая организация хранения данных на магнитных дисках.
3. Физическая организация хранения данных на магнитных дисках.
Методы обучения и преподавания: семинар
Теоретический блок
Основные устройства, применяемые для долговременного хранения данных на ПК
Устройства, используемые для хранения информации на ПК относятся к внешним и весьма разнообразны по конструкции. Если в качестве классификационного признака использовать тип носителя (носитель – материальный объект, способный хранить информацию), применяемого для хранения информации то их можно разделить на следующие условные категории.
Устройства ленточного типа называются - стримерами.
К дисковым устройствам относятся – магнитные: жесткие магнитные диски (винчестеры), гибкие магнитные диски; оптические: проигрыватели компакт-дисков CD-ROM, и др.
Рассмотрим дисковые устройства подробней.
Магнитные диски относятся к магнитным машинным носителям информации. В качестве запоминающей среды у них используется магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два магнитных состояния – два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры: 0 и 1. Считывание магнитных состояний с диска производится специальной головкой. Магнитные диски наиболее широко распространенные устройства хранения информации на ПК. Устройства для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом.
Рассмотрим дисководы гибких магнитных дисков.
На гибком магнитном диске магнитный слой наносится на гибкую основу. По размеру гибкие магнитные диски (дискеты) бывают двух видов 3,5” и 5,25”. В зависимости от количества сторон дискеты, используемых для записи, и плотности записи на одну сторону они имеют следующую маркировку и емкость:
DS/DD-двухсторонняя (Double Sides), одинарной плотности (Single Density), 360 КБайт.
DS/DD-двухсторонняя (Double Sides), двойной плотности (Double Density), 720 КБайт.
DS/HD-двухсторонняя (Double Sides), высокой плотности (High Density), 1440 КБайт.
Чтобы дискету можно было использовать для хранения информации она должна быть отформатирована. Форматирование дискеты – это процесс записи на ее поверхность специальных меток определяющих расположение информационных записей на диске и участков не пригодных для записи, а также другой управляющей информации.
Накопители на жестких магнитных дисках или винчестеры.
Относятся к основным устройствам в ПК для долговременного хранения информации.
Название «винчестер» возникло случайно дело в том, что маркировка первых накопителей совпала с маркировкой очень популярного в Америке карабина системы Винчестера калибра 30/30. Конструктивно "винчестер" представляет собой герметизированный металлический футляр, в котором расположен блок, управляющий накопителем электроники, и набор из нескольких дисков, изготовленных из алюминия или керамики и покрытых слоем магнитного материала, располагающихся на одной вращающейся оси, которая приводится в движение электродвигателем, а также блок считывающих головок.
Интерфейс SCSI (Small Computer Systems Interface). Базовый интерфейс малых компьютерных систем. Позволяет подключать до 7 устройств различных типов: "винчестеры"; сканеры и т.д. Скорость передачи данных колеблется в пределах 1,5-5 Мб/с. Аппаратно реализован для использования в ПК в виде дополнительного адаптера, вставляемого в слот расширения материнской платы. Существует модернизированный вариант SCSI – SCSI-2 в зависимости от модификации скорость передачи данных увеличена до 20-40 Мб/с..
Интерфейс IDE-ATA (Integrated Drive Electronics – AT Attachment)
Создан в 1984 г. на базе SCSI с целью упростить и удешевить последний. Отличается тем, что управляющая интерфейсом электроника находится не на отдельном адаптере, а находится в корпусе жесткого диска и на материнской плате ПК. Максимальное количество подключаемых устройств до 4. Имеет несколько модернизированных вариантов отличающихся друг от друга максимальной емкостью используемых накопителей и скоростью передачи данных:
EIDE или ATA-2 поддерживаются диски емкостью больше 540 Мб. Максимальная теоретическая скорость передачи 11,1-16,6 Мб/с.
ATA-3 или UDMA-33 увеличена надежность работы накопителей (технология SMART – Self Monitoring Analyses And Report Technology – технология самостоятельного слежения, анализа и отчета, позволяющая накопителям сообщать системе о своих неисправностях и устранять их). Теоретическая скорость передачи данных увеличена до 33 Мб/с. Интерфейс EIDE стал стандартным для ПК.
Носители для хранения информации
Flesh – память – малогабаритная внешняя память, емкостью 128 Мб до 4 Гб, подключаемая в компьютеру через USB – порт.
Для того, чтобы хранить информацию длительное временя и переноса с одного носителя данных на другой используются устройства на жестких дисках, DVD, CD -приводы, флэш-накопители, дисководы на гибких дисках.
Винчестер - это средство постоянного сбережения информации, программ в компьютере.
Гибкий магнитный диск – это принцип записи данных на магнитных лентах. Такое устройство может вмещать информацию до 600 страниц текстового документа.
Компакт-диск – это принцип оптической записи. Можно записать даже энциклопедию, что содержит много томов. Flash-память – это устройство, которому не нужно питание от электричества.
Многие задумываются: что служит для долговременного хранения информации? Итак, структура моего рассказа следующая:
Главным информационным процессом является процесс сохранения информации, то есть метод, благодаря которому возможно передавать данные по пространству и времени. С целью долгого по времени сохранения информации используются устройства либо приспособления, которые зависят от вида сохраняемых сведений. Для того, чтобы обеспечить упорядоченность данного процесса, служит наличие информационных систем, оснащенных процедурой поиска, размещения, а также редактирования информации. Главная отличительная особенность информационных систем - данные ключевые процедуры.
Программисты определяют: с целью долгого по времени сохранения информации следует использовать внешние запоминающие устройства. Это может быть накопитель либо носитель всевозможных типов, который возможно себе вообразить.
В дополнение к вышесказанному следует сказать о том, какие бывают типы информации. Итак, информация может быть следующей:
Самым распространённым на сегодня способом сохранения информации является текстовый тип. Правда, данный способ хранения не является надежным и долговечным. Графический, или изобразительный тип - наиболее древний метод хранения информации, это всевозможные схемы, графики и чертежи.
