...
...

Основы хранения данных 1

Вступление Ключевая технология эры информации Что общего между генетическим клонированием, микроволновыми печами и накопителями на жестких дисках? Согласно американскому журналу Research & Development, эти вещи возглавляют список изобретений, оказавших революционное влияние на нашу жизнь за последние 30 лет. Хотя накопители на жестких дисках - их еще называют жесткими дисками или попросту винчестерами - и другие разновидности устройств массовой памяти не отличаются таинственной привлекательностью генетических технологий и таким массовым коммерческим успехом, как микроволновки, их воздействие на общество тем не менее нельзя недооценивать. Если бы у нас не было способа быстро записывать и извлекать из хранилищ громадные объемы информации, мы не получили бы автоматические речевые системы, прямой обмен данными на больших расстояниях, передачу сообщений речевой почтой, системы бронирования мест в самолетах и заказа автомобилей, а также, подводя итог длинному перечню, пригодные для повседневного пользования персональные компьютеры.

Влияние устройств массовой памяти сегодня даже более значительно, чем 10 лет назад, когда журнал Think писал: "Без прямого доступа к большим количествам деловой информации компьютерная индустрия сегодня была бы не только незаметной, но, быть может, даже несущественной. С магнитными дисковыми накопителями возможно все - от лунных экспедиций до домашних компьютеров".

Несмотря на свою важнейшую роль, системы массовой памяти все же с трудом утверждаются на первых ролях в сознании компьютерных пользователей. Напротив, эти невоспетые герои информационной эры тихонько, почти незаметно выполняют свою жизненно важную миссию, запоминая и выдавая по первому требованию все большие и большие объемы компьютерных данных. Если вы работаете с персональными компьютерами или рабочими станциями на протяжении последних нескольких лет, тяжело представить себе, чтобы вы не извлекли пользы от применения той или иной формы массовой памяти, причем вероятнее всего от жестких дисков. И практически наверняка можно утверждать, что вы просто пользуетесь этим грандиозным достижением - уникальной смесью механических, электронных, программных и химических технологий.

В настоящее время жесткие диски стали наиболее распространенным типом устройств массовой памяти. Во многих отношениях жесткий диск подобен музыкальному автомату-проигрывателю. Внутри герметично запечатанного на заводе-изготовителе корпуса винчестера установлены один или несколько негнущихся дисков, называемых пластинами, покрытых очень тонким слоем магнитного материала. Цифровая информация - программы, файлы, картинки, даже оцифрованные звуки и видео - записывается на поверхности пластин концентрическими кругами, или треками (дорожками). Головки чтения и записи, прикрепленные к подвижному рычагу - подобно тонарму с иглой в стереопроигрывателе - читают и записывают информацию на пластины винчестера. Но аналогия с музыкальным автоматом не полностью правомочна по отношению к жестким дискам. Принципы работы дисковых накопителей и совершенство применяемых в них различных электронных и механических технологий отличаются гораздо большей сложностью, чем в любом проигрывателе.

Обзор компьютерныхсистем и массовой памяти Эволюция технологий массовой памяти Еще до появления первых коммерческих электронно-вычислительных машин в 1951 году массовая память - пусть и мизерная по сегодняшним меркам - стала необходимостью. Давным-давно, еще примерно в середине 19 века, перфорированные карты были использованы для ввода данных в "доисторические" калькуляторы и другие подобные машины. В 40-е годы нашего века для хранения информации использовались вакуумные лампы, на смену которым впоследствии пришли ленточные накопители, начавшие вытеснять перфокарты в начале 50-х. Только спустя пару лет на сцене появились магнитные барабаны. И наконец, в 1957 году были представлены первые жесткие диски как одна из компонент IBM'овского компьютера RAMAC 350. Для записи 5 мегабайт (миллионов байт) данных тогда требовалось полсотни 24-дюймовых дисков, годовое использование которых обходилось в $35,000, или $7,000 за мегабайт в год.

На протяжении лет применение жестких дисков ограничивалось их установкой в мейнфреймы и мини-компьютеры. Огромные "дисковые плантации" гигантских 14- или 8-дюймовых накопителей, стоящих десятки тысяч долларов каждый, жужжали в уединении в кондиционированном воздухе корпоративных вычислительных центров. В начале 1980-х все изменила революция, связанная с персональными компьютерами. Именно она способствовала появлению компактных накопителей на жестких дисках. Первые 5.25-дюймовые винчестеры запихивали от 5 до 10 мегабайт данных, что эквивалентно 2,500-5,000 машинописных страниц, отпечатанных с двух сторон, в устройство размером с маленькую коробку из-под обуви. В те времена емкость в 10 мегабайт воспринималась чрезмерно большой для так называемых персональных компьютеров.

В первых РС практически исключительно в качестве устройства хранения данных применялись дисководы для сменных гибких магнитных дисков. Термин "гибкие" в точности соответствует ранним 8-дюймовым и последовавшим за ними более удачным 5.25-дюймовым дискетам. Внутренний диск, который и содержал данные, обычно изготавливался из майлара (пленка, разработанная фирмой DuPont), покрывался магнитным оксидом и, так же как и наружный защитный пластиковый конверт, свободно гнулся. Внутренний диск современных небольших 3.5-дюймовых дискет устроен похоже, но он помещен в негнущийся пластиковый корпус, гораздо более надежный с точки зрения защиты от пыли и повреждений, чем гибкие конверты дискет большего размера.

С появлением в 1983 году IBM РС/ХТ жесткие диски стали стандартной компонентой большинства персональных компьютеров. Слово "жесткие" по отношению к ним используется потому, что их внутренние диски, на которые записывается информация, изготавливаются из металла - алюминиевого сплава. Эти диски, называемые пластинами, покрыты значительно усовершенствованным магнитным материалом и служат куда дольше, чем пластиковые гибкие дискеты. Продолжительность жизни жестких дисков также напрямую связана с особенностью головок записи/чтения: в винчестерах головки не контактируют физически с поверхностью пластин, как это происходит в флоппи-дисководах, где головки касаются вращающегося диска, понемногу изнашивая его.

Благодаря своей конструкции жесткие диски вмещают гораздо больше информации, чем флоппи-диски, и могут записывать и считывать ее во много раз быстрее. Стремительное снижение цен на эти устройства привело к тому, что уже в середине 80-х накопители емкостью не меньше 20 мегабайт стали стандартной частью большинства РС. Но и флоппи-дисководы, поскольку они являются дешевыми накопителями со сменными носителями, до сих пор повсеместно устанавливаются в персональные компьютеры, где выполняют роль устройств для инсталляции программного обеспечения и транспортировки или архивирования жизненно важных данных.

Как и другие изделия электронной промышленности, жесткие диски подвергаются воздействию безжалостного закона миниатюризации. К середине 80-х винчестеры 5.25-дюймового форм-фактора (этим термином определяется ширина накопителей) особенно заметно "уплотнились" по высоте. Высота стандартных дисководов уменьшилась примерно до 3 дюймов (full-height), а вес снизился всего до нескольких фунтов (фунт чуть меньше полкилограмма). В то же время появились диски "половинной" (half-height) высоты (1.6 дюйма) уменьшенной емкости. В 1987 году увидели свет диски 3.5-дюймового форм-фактора. Эти компактные устройства весили уже около одного фунта и по габаритам походили на книгу карманного формата. В первую очередь они проникли в настольные машины, а немногим позже и в первые полноценные переносные компьютеры - лэптопы, весившие порядка 5 килограммов. 3.5-дюймовый форм-фактор очень быстро стал стандартом для настольных и портативных систем, требовавших не более 500 мегабайт дисковой памяти. Уменьшилась не только ширина, но и высота устройств, появились "низкопрофильные" (low-profile) дисководы высотой в 1 дюйм.

Но не успел еще 3.5-дюймовый форм-фактор завоевать все ключевые позиции в компьютерной индустрии, как на сцене появились диски шириной в 2.5 дюйма. Они родились в результате поисков путей дальнейшего снижения веса и габаритов портативных компьютеров, приведшего к появлению знакомых нам ноутбуков весом от 2 до 3 килограммов. Сегодняшние 2.5-дюймовые диски по размеру близки к карточной колоде, весят всего-навсего 100 граммов с небольшим и в то же время по емкости в несколько раз превосходят некогда установленную планку в 500 мегабайт.

Не удивительно, что парад миниатюризации не остановился на отметке 2.5 дюйма. В 1992 году появилось множество жестких дисков 1.8-дюймового форм-фактора, весящих уже около 50 граммов и обладающих вместительностью свыше 40 мегабайт. Были представлены даже 1.3-дюймовые винчестеры размером со спичечный коробок. Естественно, сам по себе меньший форм-фактор еще не означает технического превосходства над большим и не ведет к вытеснению последнего с рынка. Сегодня диски размером 2.5 дюйма и меньше востребованы только в тех компьютерных приложениях, где ключевыми критериями выступают размеры и вес. Там же, где ключевую роль играют соображения емкости или удельной стоимости хранения одного мегабайта данных, по-прежнему предпочтительным решением являются накопители большего размера. По этой причине 3.5-дюймовые диски продолжают доминировать и в обозримом будущем не уступят позиций в секторе настольных компьютеров и рабочих станций, не вторгаясь в вотчину 2.5-дюймовых винчестеров - в портативные системы.

Переход к меньшим форм-факторам стал возможен в результате непрекращающегося совершенствования электроники, дисковых носителей, головок чтения/записи и других дисковых технологий, каждая из которых обеспечивает возможность запоминания большего количества данных на заданной площади поверхности диска. Исторически так повелось, что совершенствование технологий выливается в происходящее каждые полтора года удвоение плотности записи (и, следовательно, емкости дисков).

За прошедшее с появления на свет первых жестких дисков время эта технология стала самым распространенным решением в области массовой памяти для персональных компьютеров. Производители добились громадного прогресса в емкости, размерах и производительности этих устройств. Сегодня в настольных компьютерах, занятых мультимедиа, профессиональной графикой, сетевыми и коммуникационными приложениями, обычным явлением стали 3.5-дюймовые диски, емкость которых измеряется гигабайтами (миллиардами байт). И эти умещающиеся на ладони накопители не только способны вместить сотни тысяч страниц информации, но также и выдают выбранные из этой горы данные всего за несколько тысячных долей секунды. Более того, жесткие диски оказывают эти услуги по дешевке. Так, в начале 90-х стоимость 200-мегабайтного диска упала ниже $200, что составило меньше доллара за мегабайт (сравните с первыми дисками!), а сегодня за эти деньги можно приобрести уже 2-гигабайтный винчестер, хранение мегабайта данных на котором обойдется еще на порядок дешевле.

Взгляд в будущее Microsoft'овский президент Билл Гейтс предсказывает, что пользователи РС эволюционируют в "навигаторов среди знаний", потребность в быстродействии и вместительности массовой памяти по-прежнему будет опережать технологические разработки. Мнение Гейтса подкрепляется его авторитетом вдохновителя в создании десятков приложений для персональных компьютеров и лидирующих операционных сред - семейства Microsoft Windows, и каждое из них постоянно нуждается во все большем количестве памяти и более высоком уровне ее производительности. Всего один пример. Полная инсталляция Microsoft Word со встроенными средствами проверки орфографии и грамматики, словарем синонимов сегодня требует не меньше 25 мегабайт на диске, что более чем вдвое превосходит общую емкость винчестеров, устанавливавшихся в оригинальных IBM РС/ХТ.

Суперсовременные приложения, плотно завязанные на мультимедиа, нуждающиеся в сохранении на диске видеоизображений, требуют от массовой памяти еще большей емкости и производительности. Так, один-единственный кадр видео может превышать 4 мегабайта. Взглянув на истинно "живое" видео, оперирующее 30 кадрами в секунду, нетрудно сообразить, каким образом мультимедийное приложение может с легкостью "освоить" гигабайт дисковой памяти.

Эта публикация преследует цель познакомить вас поближе с решениями в области массовой памяти и, в частности, с жесткими дисками - одной из самых жизненно важных компонент современного компьютера. Вы узнаете об устройстве компьютерных систем, дисковых накопителей и других видов массовой памяти. В конце вы познакомитесь с теми передовыми технологиями и разработками, которые помогают жестким дискам оказывать революционное воздействие на нашу повседневную жизнь.

Основы компьютерных систем Чтобы в полной мере оценить, какую роль средства массовой памяти играют в сохранении и выдаче информации, вам необходимо представлять основы построения компьютерных систем. Компьютерная система состоит из аппаратной и программной компонент, работающих совместно, чтобы помочь вам справиться с вашими задачами. В общих словах можно сказать, что компьютер занимается вычислениями. Он стремительно складывает, вычитает, делит и умножает числа, представляющие закодированные данные (письма, числа, диаграммы, изображения, цвета и т.д.). Мы работает с этими данными каждый день, когда используем прикладные программы, такие как текстовые процессоры, электронные таблицы, базы данных или графические пакеты.

Двоичная система хранения данных в компьютере В отличие от людей, которые пользуются для повседневных расчетов состоящей из 10 цифр десятичной системой счисления, цифровые компьютеры и большинство другого электронного оборудования основаны на двоичной системе, располагающей только двумя цифрами. Посредством двоичной системы все данные - тексты, числа и другая информация - представляются в виде последовательности двоичных цифр, названных битами. Принимающие только два состояния - 0 или 1, что соответствует двум положениям выключателя, биты записываются на носитель данных, такой как магнитное покрытие на пластинах компьютерного жесткого диска.

Собирая отдельные биты в 8-битовые группы, называемые байтами, компьютер кодирует данные для вычислений. Например, латинская буква "В" с помощью наиболее широко применяемого метода представления алфавитно-цифровых символов в цифровом виде кодируется как "01000010" для последующей записи в компьютерной памяти, отображения на экране или печати.

Архитектура компьютера: модель фон Неймана Чтобы собирать, сохранять и передавать двоичную информацию, компьютер строится по архитектурной аппаратной модели, впервые предложенной в 40-х годах математиком Джоном фон Нейманом. Эта модель, модель фон Неймана, разбивает все оборудование компьютерной системы на пять главных элементов: - центральный вычислительный блок (CPU); - устройства ввода; - устройства вывода; - память; - массовое хранилище данных.

Каждый из этих элементов ассоциируется с конкретными физическими устройствами (аппаратурой) и каждый нуждается в программном обеспечении для совместной работы с остальными частями компьютерной системы. Модель фон Неймана легла в основу практически всех когда-либо построенных компьютеров - от занимавшего целый зал компьютера ЭНИАК до самых миниатюрных современных карманных РС.

Каким бы он ни был - микропроцессором Intel 386, 486 или Pentium в персональных компьютерах IBM и совместимых с ними, микропроцессором серии Motorola 68000 в компьютерах Apple Macintosh, RISC-процессором в PowerPC, процессором SPARC или MIPS в рабочих станциях UNIX, центральный вычислительный блок является "мозгом" любого современного компьютера. Эта тончайшая пластинка кремния имеет сложнейший массив из сотен тысяч и даже миллионов электронных двухпозиционных переключателей, или транзисторов, вытравленных на его поверхности. Используя невидимые электрические потоки, CPU выполняет базовые команды, называемые инструкциями, которые переправляют информацию с места на место по своим микропроводникам со скоростью, почти достигающей скорости света. Современные CPU выполняют многие миллионы инструкций в секунду.

CPU обменивается инструкциями и данными с различными периферийными устройствами, такими как жесткие и гибкие дисковые накопители, экран дисплея, клавиатура, мышь, факс-модем, принтер или сканер. Эта периферия называется устройствами ввода/вывода и подключается к CPU и системной памяти через магистрали передачи данных, называемые шинами ввода/вывода.

Для работы CPU необходима информация. Чем быстрее он ее получит, тем быстрее сможет выполнить каждую полученную инструкцию. Однако CPU работает во много раз быстрее, чем любой дисковый накопитель или шина ввода/вывода. Поэтому во избежание заторов в потоках информации между CPU и остальной частью системы и за счет этого предоставления ему возможности работать на своей внутренней скорости, части операционной системы и используемых в настоящее момент прикладных программ, а также данные, непосредственно с которыми и работают эти программы, записываются в специальную разновидность сверхбыстрой твердотельной памяти. Эта память и получила название памяти с произвольным доступом (RAM).

Массовая память -основное хранилище информации RAM - чрезвычайно быстрая, но и очень дорогая память. К тому же она непостоянна: как только компьютер выключается, находящиеся в RAM данные пропадают. Естественно, отсюда вытекает потребность в постоянной, несбрасываемой памяти для хранения программного обеспечения и данных. С этой ролью в компьютере справляется массовая память. Вы можете рассматривать массовую память как склад-хранилище данных для вашего компьютера. Она обеспечивает долговременное хранение с простым доступом к большим объемам информации - как к программному обеспечению, так и к данным.

Массовая память обычно является конечным пунктом назначения для информации, с которой работаете: вы сохраняете там законченные результаты своей работы, пока они могут снова потребоваться вам. Поэтому массовая память очень часто оказывается первым местом, куда должен обратиться CPU, чтобы получить необходимые для работы данные. (Иногда необходимая информация вводится с клавиатуры, сканера, поступает от модема или другого внешнего источника.) Когда вы после включения компьютера по первому разу запускаете прикладную программу, CPU находит и считывает ее из массовой памяти. Непосредственно сама программа переносится (или, точнее говоря, копируется) из своего места хранения в массовой памяти в оперативную память компьютера, что позволяет ей выполняться с большей скоростью. Подобным образом любые востребованные программой данные копируются из массовой в оперативную память и возвращаются обратно после того, как вы измените их (и, разумеется, пожелаете навсегда сохранить изменения).

Хотя жесткие диски и стали основным видом массовой памяти, это далеко не единственная ее разновидность, доступная пользователям персональных компьютеров. Существует множество вариантов, каждых из которых отличается ценовыми и производительными показателями, удовлетворяющими специфическим нуждам. (Подробнее о других решениях в области массовой памяти будет рассказано в конце статьи.) В то же время большинство пользователей настольных и переносных персональных компьютеров, рабочих станций и серверов по-прежнему для решения первоочередных задач хранения информации ориентируется на традиционные жесткие диски. Сюда входит прямой доступ к программам и данным при повседневной работе. Именно для этих приложений жесткие диски обеспечивают оптимальное соотношение высокой емкости, быстрого доступа и низкой стоимости.

Программное обеспечение - язык вычислений Условный язык, или код, обрабатываемый компьютером для декодирования и перевода двоичной цифровой информации, называется программным обеспечением. Во многом подобное человеческой речи, программное обеспечение строится на великом множестве языков. Даже наиболее распространенные языки, включая Бейсик, Кобол, Фортран и С, были разработаны с ориентацией на специфические задачи. Впрочем, независимо от того, на каком языке оно написано, программное обеспечение на деле выполняет только одну ключевую функцию: оно преобразует инструкции и данные из понятного человеку вида в двоичное представление информации - в нули и единицы, понятные компьютеру. Инструкции говорят аппаратуре, что ей делать с полученными данными, такими как составляющие текст слова, заполняющие электронные таблицы числа и образующие компьютерные иллюстрации линии и многоугольники.

В настоящее время программное обеспечение разбивается на множество уровней, но в рамках данной публикации наиболее удобным представляется разделение на операционные системы и прикладные программы. Операционные системы, такие как MS-DOS и Windows от Microsoft, UNIX от UNIX System Labs, System 7 от Apple и OS/2 от IBM, устанавливают взаимодействие между разными компьютерными компонентами и выполняют широкий круг административных задач. Например, операционная система использует изощренные механизмы адресации и маршрутизации данных для обнаружения находящейся на жестком диске информации.

Прикладные программы обычно работают с самим компьютерным пользователем: они обрабатывают наши слова, управляют нашими базами данных, перемалывают числа в наших таблицах. Прикладные программы используют операционную систему как базу для доступа к компонентам компьютера и выполнения специфических задач. Они обеспечивают "человеко-язычный" интерфейс (способ и средства взаимодействия), который позволяет нам управлять и обмениваться информацией с компьютером.

Роман Соболенко

© Компьютерная газета

полезные ссылки
IP камеры видеонаблюдения