71

подобен дискетам и встроенному для его чтения–записи дисководу FDD (Floppy Disk Drive). Накопитель на жестком диске внешне представляет собой прочный металлический корпус. Он полностью герметичен и защищает дисковод от частичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой и поверхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Внутри корпуса находятся сами диски, на которых хранится информация, головки, которые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие все это в движение. Кроме того, корпус HDD экранирует накопитель от электромагнитных помех.

Диски винчестера представляют собой пластины (как правило, на основе алюминиевых сплавов) с нанесенными на них ферромагнитными слоями. Новейшие модели жестких дисков работают со слоем толщиной порядка десяти микрон. Такое покрытие более прочно и, кроме того, позволяет значительно увеличить плотность записи. Технология его нанесения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем.

Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски по следующему принципу. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и «запомнить». Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. Таким образом сохраняется записанная на диск информация.

Работа магнитных головок осуществляется следующим образом. Головки для чтения–записи закреплены на одном кронштейне, и все одновременно перемещаются с помощью высокоточного шагового двигателя и как бы «плывут» над поверхностью дисков на расстоянии в доли микрона, не касаясь его. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками. Перемещаясь, головки останавливаются над каждой следующей дорожкой. Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех поверхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя перемещаются одновременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми номерами.

Основными отличиями от FDD является то, что HDD имеет на одной оси 2–3 диска (соответственно от 4 до 6 поверхностей) с высокой плотностью расположения дорожек на одной рабочей поверхности, что и сказывается на его

72

большой емкости. Иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них) не используются, что позволяет уменьшить высоту накопителя, но при этом количество рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Как отмечалось, в корпусе винчестера располагается собственный привод (двигатель) и небольшая плата, обеспечивающая поддержку в работе на аппаратном и программном уровнях, что определяет винчестер как самостоятельное устройство, которое легко переставить на другой компьютер и использовать всю имеющую на нем информацию (рис. 13).

Винчестеры отличаются между собой, прежде всего, форм-фактором, т.е. габаритами дисковых пластин. На первых поколениях ПК использовался формфактор 5,25 дюйма. Сегодня для настольных систем применяются 3,5 дюйма, а для ноутбуков 2,5 дюйма. Просматривается дальнейшая тенденция уменьшения размеров дисковых пластин, и сегодня на рынке предлагаются HDD с пластинами менее одного дюйма. Малогабаритные винчестера активно внедряются на портативных компьютерных устройствах: сверхтонких ноутбуках, планшетных ПК, карманных компьютерах.

Рис. 13. Общий вид винчестера.

Основными характеристиками винчестера являются:

Самым главным параметром естественно является его емкость. На современных компьютерах она составляет 80, 120, 160, 200 и более Гбайт (уже имеются винчестера емкостью 800 Гбайт).

73

Скорость вращения дисков накопителя (шпинделя). Сегодня широко применяются HDD со скоростью 5400, 7200 об/мин. На рынок проникают и более производительные винчестера со скоростью 10000, 15000 об/мин, но они, как правило, используются для серверов.

Объем буферной памяти (иногда называют кэш-памятью) является одной из важнейших характеристик диска и в большинстве моделей составляет от 2 до 8 Мбайт, но в последнее время начали выпускаться HDD с буфером 16 Мбайт. В эту область памяти помещаются на временное хранение наиболее часто используемые данные, что сказывается на быстродействии компьютера.

Скорость работы жесткого диска. Она характеризуется двумя параметрами: скорость чтения–записи данных и среднее время доступа к данным. Время доступа современных дисков варьируется от 10-12 миллисекунд (мс) до 4–5 мс. Скорость чтения–записи составляет от 66 Мбайт/с до133 и более. Скорость работы жесткого диска прежде всего зависит от угловой скорости вращения шпинделя.

Стоимость одного Гбайта информации. Она составляет сегодня 0,25-0,5$. Следует отметить, что эта стоимость постоянно снижается. И чем большего объема приобретается винчестер, тем цена одного Гбайта ниже. К примеру, сегодня розничная цена винчестера фирмы Seagate емкостью 160 Гбайт составляет 2 100

руб.(80$), а 320 Гбайт – 3 300 руб.(127$).

Способ подключения к материнской плате или тип интерфейса.

5.1. Интерфейсы для дисковых накопителей

Для того чтобы обмениваться данными с микропроцессором, оперативной памятью и другими компонентами ПК, жесткий диск подключен к материнской плате специальным шлейфом, по которому передаются данные и команды управления диском. Этот шлейф подключается к разъему на материнской плате, который и является выводом локальной шины (интерфейса). Рассмотрим различные интерфейсы подключения жестких дисков. Различают HDD, главным образом, по способу подключения (интерфейсу) к материнской плате. Физически разъем имеет разные размеры и количество контактов. Кроме того, различные интерфейсы реализуют и совершенно различные способы передачи

74

информации по локальной шине.

В компьютерных технологиях на сей момент известны два способа передачи информации от внутренних и периферийных устройств – параллельный и последовательный. Ранее уже отмечалось, что намечается постепенный переход на применение последовательного варианта, который упрощает конструкцию материнской платы, за счет меньшего количества проводящих каналов.

Длительное время подключение дисковых устройств (винчестера, CD-, DVD ROM) к материнской плате осуществлялась только на технологии параллельного способа подключения. Сегодня его называют как PATA (Parallel ATA). С 2001 года начал внедряться новый интерфейс Serial ATA (SATA). Новый Serial ATA, как следует из названия, является последовательным.

Название PATA появилось в литературе относительно недавно (с 2003 года) в связи с появлением на рынке винчестеров модельного ряда SATA. До этого все они имели единый интерфейс, который развивался, прежде всего, в плане увеличения скорости передачи данных по локальной шине.

IDE/АТА. Первоначально все винчестера характеризовались как IDE (Integrated Drive Electronics) — это название типа интерфейса. IDE был разработан фирмой Western Digital (США) в 80-е годы ХХ века. Интерфейс состоит из аппаратной и программной частей. EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics) является развитием более ранней версии интерфейса IDE.

Имеется и другие варианты названия этих же винчестеров – ATA (AT Attachment). Национальным институтом стандартизации США (ANSI) была разработана и принята серия стандартов для дисковых устройств АТА (AT Attachment, то есть относящихся к классу машин типа IBM AT).

Названия указанных стандартов используются как синонимы наименований интерфейсов IDE и EIDE. В аналогичном смысле применяются также термины IDE/ATA и ATA/IDE. ATA характеризует техническое исполнение жесткого диска (HDD) с контроллером, интегрированным в систему самого жесткого диска. Существует несколько версий АТА, разработанных комитетом стандартов. Известны такие названия как ATAPI; ATA-2; ATA- 3,АТА-4, ATA-5, ATA-6. АТА не предназначен для внешних подключений и не поддерживает шлейфы длиной более 60 см. ATAPI (AT Attachment Packet Interface) предназначался для подключения CD дисководов. ATAPI позволяет подключать к ПК другие периферийные устройства при помощи стандартного шлейфа IDE (в частности, дисководы CD-ROM, внешние архивирующие

75

устройства типа Zip). Один канал АТА может поддерживать до двух дисков, первичный — master и вторичный — slave. Очень часто ставят на один канал жесткий диск как master и другое, более медленное устройство типа CD-ROM

как slave.

На рынке присутствуют четыре основных стандарта IDE-дисков: АТА/33, АТА/66, АТА/100 и АТА/133, последние два из которых используются в настоящее время. В данном случае число показывает максимальную пропускную способность в мегабайтах в секунду. Для АТА/66, АТА/100и АТА/133 требуется специальный 80-контактный шлейф, а со стандартным 40-контактным АТА/66/100 диск будет работать, как АТА/33. Как правило, такой кабель идет в комплекте со всеми материнскими платами, поддерживающими АТА/66/100/133. Эти стандарты называют одним словом — Ultra DMA – этот интерфейс, разработан фирмой Quantum. Все IDE-контроллеры современных чипсетов поддерживают режимы работы UltraDMA 33/66/100/133.

SATA. В чем принципиальная разница между IDE/АTA (PATA) и новым Serial ATA. Новый Serial ATA, как следует из названия, является последовательным, а устаревший IDE/ATA имеет параллельный интерфейс. Главным основанием при переходе с параллельного на последовательный интерфейс (помимо увеличения скорости передачи данных, об этом ниже) можно считать отказ от использования многожильного 80-контактного шлейфа (UDMA 66/100 и 133) длиной не более 0,60 м в пользу более тонкого (кабель с семью проводами, разъемы всего 8 мм шириной) шлейфа SATA длиной до 1 м. Благодаря узкому и длинному кабелю упрощается компоновка устройств и улучшается вентиляция внутри корпуса ПК.

У интерфейса SATA есть два главных преимущества. Первое – максимальная пропускная способность 150 Мбайт/сек, причем это только в первой версии, а затем планируется постепенный переход на 300 или даже 600 Мбайт/сек. Второе – возможность горячего подключения (hot swap), что снижает риск случайного повреждения HDD и упрощает процесс сборки.

SCSI. SCSI (Small Computer System Interface) высокоскоростной интерфейс для подключения прежде всего дисковых накопителей, а также для устройств где необходимо вводить большие объемы информации (например, сканер). SCSI был разработан в начале 1970-х годов для мини-ЭВМ. Основной задачей того времени было (да и остается сегодня) увеличение скорости обмена информации между периферийными устройствами. SCSI обеспечивает скорость обмена до 160 Мбайт/с, что сегодня достигают и другие новые интерфейсы – SATA. SCSI

76

давно стал стандартным интерфейсом для рабочих станций и серверов. SCSIпривод работает со скоростью 15000 об/мин, который быстрее винчестеров стандарта PATA и SATA. И хотя по стоимости SCSI обходится существенно дороже IDE, но это компенсируется гораздо большей пропускной способностью, а также поддержкой большего количества устройств на одном канале, увеличенной длиной кабелей (до 12м), поддержкой внешних устройств и многозадачность. Для подключения SCSI-устройств на материнской плате должен иметься специальный разъем. Необходимо заметить, что на массового потребителя этот разъем не рассчитан.

Обычная шина SCSI может нести на себе до 8 устройств, а широкая (wide) – до 16. Сам SCSI-контроллер занимает один адрес, а остальные 15 оставляет для подключаемых устройств. Существует множество различных вариантов SCSI.

Главное преимущество SCSI выражается термином high-end, то есть самые быстрые, самые объемистые жесткие диски имеют интерфейс SCSI. Например, Seagate Cheetah с 15 000 оборотов на шпинделе в варианте IDE никогда не производился и вряд ли будет. А способность поддерживать до 15 устройств на одном канале говорит об отличной масштабируемости, что для определенных целей тоже крайне важно.

YI. Оперативная память

Большинство пользователей имеет дело с двумя видами памяти внешней и оперативной. Внешняя память представлена прежде всего дисковыми устройствами: винчестером, CD-, DVD ROMом, магнитооптическими дисками. В последнее время начали активно использовать и память на Flash накопителях, она стала доступна по цене. В портативных устройствах (цифровые фотоаппараты, МР3 проигрыватели и др.) применяются различные модули памяти на Flash картах. Из всех типов внешней памяти неотъемлемой частью настольного ПК является винчестер, и его емкость является одним из главных элементов при выборе конфигурации компьютера. Характеристики винчестера и интерфейсы подключения к материнской плате только что были рассмотрены.

До появления персональных компьютеров в микро-ЭВМ использовалась, так называемая постоянная память (ПЗУ— постоянное запоминающее устройство, или ППЗУ—полупостоянное запоминающее устройство), которое содержало операционную систему и, как правило, язык программирования типа БЭЙСИК (Basic). На всех поколениях персональных компьютеров ПЗУ также использовалось для хранения программы начального тестирования и программы

77

BIOS, которая является доступной компьютеру сразу после включения компьютера еще до загрузки операционной системы. ПЗУ являлось и остается связующим звеном, между операционной системой и железом. В дальнейшем она получила название память ROM — read-only memory, и в настоящее время имеются средства для ее изменения, так называемые программы прошивки (перепрошивки), в отличие от первых поколений ПК. Данный вид памяти так же коротко был рассмотрен выше.

Еще один вид памяти, на который последнее время все больше внимание обращают пользователи, называется кэш-память. Кэш-память (cache) обозначает быстродействующую буферную память между процессором и основной памятью. Кэш служит для частичной компенсации разницы в скорости работы процессора и основной памяти — туда попадают наиболее часто используемые данные. Когда процессор первый раз обращается к ячейке памяти, ее содержимое параллельно копируется в кэш и в случае повторного обращения в скором времени может быть с гораздо большей скоростью выбрано из кэша. Принцип работы кэш-памяти и ее месторасположение подробно рассмотрено в предыдущем пособии2.

Кэш-память применяется также и для других устройств ПК, таких как лазерный принтер, винчестер. Но для этих устройств она называется буфером или буферной памятью.

Что касается оперативной памяти, то следует отметить, что производительность компьютерной системы напрямую зависит именно от нее. Оперативная память является вторым основным фактором после микропроцессора, от которой зависит мощность компьютера. Конечно, не стоит умалять и другие важные факторы производительности, такие как FSB на материнской плате или скорость винчестера.

Одним из главных отличий ОП от внешней является скорость доступа к данным, находящимся в регистрах оперативной памяти. Она в сотни тысяч раз быстрее и составляет менее 10 наносекунд (нс) по сравнению с винчестером (порядка 10 миллисекунд).

Но принципиальное отличие от внешней памяти заключается в том, что оперативная память хранит информацию в своих регистрах (ячейках) только во время обработки данных. Так же на время обработки загружаются и программные модули конкретной системы, с помощью которой обрабатываются

2 Раевский Ю. А. Информатика. Развитие компьютерных технологий : учебное пособие. Хабаровск : РИЦ ХГАЭП, 2004. 80 с.

78

эти данные. Таким образом, содержимое оперативной памяти постоянно обновляется и при выключении компьютера обнуляется (гасится). По этой причине ее называют энергозависимой, т.е. зависит от наличия питания. Оперативную память можно представить в виде полигона ячеек, на котором осуществляются операции по обработке информации, содержимое ячеек которых постоянно обновляется.

Оперативную память называют RAM-памятью (Random Access Memory) – память с произвольным доступом. Поскольку элементарной единицей информации является бит, оперативную память можно рассматривать как некий набор элементарных ячеек, каждая из которых способна хранить один информационный бит. Элементарная ячейка оперативной памяти представляет собой конденсатор, который способен в течение короткого промежутка времени сохранять электрический заряд. Наличие заряда и является информационным признаком или заполненным битом. Проще говоря, заряженный конденсатор отражает логическую единицу в ячейке памяти, а разряженный соответствует наличию нуля. Поскольку элементарной единицей информации для современных компьютеров является байт (восемь бит), то для простоты можно считать, что элементарная ячейка памяти, которая может адресоваться, хранит не бит, а байт информации. Таким образом, доступ в памяти производится не побитно, а побайтно.

Микросхемы памяти организованы в виде матрицы. Например, рассмотрим схему модуля памяти, в котором имеется четыре банка, каждый из которых содержит 8192 строки и 1024 столбца. Таким образом, емкость каждого банка— 8192x1024 = 8192 Кбайт = 8 Мбайт. Если в чипе имеется четыре банка, получается, что полная емкость чипа составляет 32 Мбайт, если 8 банков – то 64 Мбайта и т.д. Сегодня на большинстве ПК модули памяти содержат 128, 256, 512 Мбайт. В последние время в продаже появились модули с емкостью 1 Гбайт и приступили к производству модулей 2 Гбайта. Следует напомнить, что на материнских платах имеется два, три или четыре разъема для установки модулей оперативной памяти. Это позволяет в любой момент позволяет расширить ОП или заменить модули меньшей емкости на модули с большим объемом памяти. Большинство современных плат использует четыре разъема, предназначенных для модулей памяти типа DDR2.

В истории развития технологий в области оперативной памяти насчитывается более десятка различных типов памяти, но все они базируются на двух фундаментальных принципах: статическая память (SRAM — Static RAM) и

79

динамическая (DRAM — Dynamic RAM).

Самой быстрой памятью (и дорогой) является статическая (SRAM), она используется в качестве кэш-памяти микропроцессора. Скорость ее работы в несколько раз превышает динамическую (DRAM). Ячейки статической памяти имеют малое время срабатывания (единицы-десятки наносекунд) и высокое энергопотребление.

Дело в том, что память DRAM требует постоянного обновления (регенерацию), на что уходит дополнительное время. А память SRAM может храниться долго, до момента ее вытеснения новыми данными или до отключения питания. После записи бита в ячейку SRAM она может пребывать в этом состоянии длительное время, необходимо только наличие питания.

История персональных компьютеров насчитывает уже десятки различных типов оперативной памяти. Это одна из первых FPM DRAM (Fast Page Mode DRAM — динамическая память с быстрым страничным доступом). Затем EDO DRAM (Extended Data Out — расширенное время удержания данных на выходе) фактически представляют собой обычные микросхемы FPM, на выходе которых установлены регистры-защелки данных. При страничном обмене такие микросхемы работают в режиме простого конвейера: удерживают на выходах данных содержимое последней выбранной ячейки, в то время как на их входы уже подается адрес следующей выбираемой ячейки.

И наконец, SDRAM (Synchronous DRAM — синхронная динамическая память) — память с синхронным доступом, работающая быстрее обычной асинхронной (FPM/EDO). Помимо синхронного метода доступа SDRAM использует внутреннее разделение массива памяти на два независимых банка, что позволяет совмещать выборку из одного банка с установкой адреса в другом банке. SDRAM также поддерживает блочный обмен. Основная выгода от использования SDRAM состоит в поддержке последовательного доступа в синхронном режиме, где не требуется дополнительных тактов ожидания.

Конструктивно оперативная память изготавливается в виде независимых модулей разной емкости, которые устанавливаются в соответствующие разъемы на материнской плате:

DIP (Dual In line Package — корпус с двумя рядами выводов) — классические микросхемы, применявшиеся в блоках основной памяти XT и ранних AT;

SIP (Single In line Package — корпус с одним рядом выводов) — микросхема с одним рядом выводов, устанавливаемая вертикально;

80

SIPP (Single In line Pinned Package — модуль с одним рядом проволочных выводов) — модуль памяти, вставляемый в панель наподобие микросхем DIP/SIP, применялся в ранних AT;

SIMM (Single In line Memory Module — модуль памяти с одним рядом контактов) — модуль памяти, вставляемый в зажимающий разъем; применялся на материнских платах, а также во многих адаптерах, принтерах и прочих устройствах. SIMM имеет контакты с двух сторон модуля, но все они соединены между собой, образуя как бы один ряд контактов;

DIMM (Dual In line Memory Module — модуль памяти с двумя рядами контактов) — модуль памяти, похожий на SIMM, но с раздельными контактами, за счет чего увеличивается разрядность или число банков памяти в модуле. Начал применяется в последних платах для Pentium и на всех материнских платах для Pentium II и старше.

Стандартной для современных компьютеров является синхронная динамическая оперативная память — SDRAM в исполнении DIMM.

SDRAM — это первая технология оперативной памяти со случайным доступом (DRAM), разработанная для синхронизации работы памяти с тактами работы центрального процессора с внешней шиной данных. SDRAM разработана на основе стандартной DRAM и работает почти так же, как стандартная DRAM, но она имеет несколько отличительных характеристик, делающих ее более прогрессивной.

Следующий шаг в развитии SDRAM — DDR SDRAM. Ее преимущество в том, что новая синхронная память может передавать данные по восходящему и падающему уровню сигнала шины, что позволяет увеличить пропускную способность до 1,6 Гб/с при частоте шины в 100 М Гц. Это увеличит вдвое пропускную способность памяти по сравнению с существующей SDRAM. Практически все современные материнские платы поддерживают память DDR SDRAM и более новых поколений DDR2.

6.1. Характеристики оперативной памяти

Главной характеристикой памяти является ее пропускная способность, то есть максимальное количество данных, которое можно считать из памяти или записать в память в единицу времени. Именно эта характеристика прямо или косвенно отражается в названии типа памяти. Конструктивно оперативная