Внешняя память ПК

      Все персональные компьютеры используют три  вида памяти: оперативную, внутреннюю и внешнюю (различные накопители). Оперативная память предназначена  для хранения переменной информации, так как она допускает изменение  своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором соответствующих операций. Поскольку в любой момент времени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, то этот вид памяти называют также памятью с произвольной выборкой - RAM (Random Access Memory). Все программы, в том числе и игровые, выполняются именно в оперативной памяти. Внешние накопители имеют собственный корпус и источник питания, что экономит пространство внутри корпуса компьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания. Встраиваемые накопители крепятся в специальных монтажных отсеках (drive bays), что позволяет создавать компактные системы, которые совмещают в системном блоке все необходимые устройства. Сам накопитель можно рассматривать как совокупность носителя и соответствующего привода. Различают накопители со сменными и несменными носителями.

      Внутренняя  память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в течение  длительного времени. Внутренняя память имеет собственное название - ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что ею обеспечиваются только режимы считывания и хранения.

      А внешняя память используется для  временного хранения данных и программ при выполнении последних. Внешняя память представлена в основном магнитными и оптическими носителями. Магнитные носители делятся на магнитные ленты (стримеры), которые используются для хранения архивов и нашли неширокое применение, и магнитные диски.

      Накопители  информации представляют собой гамму  запоминающих устройств с различным  принципом действия физическими  и технически эксплуатационными  характеристиками. Основным свойством и назначением накопителей информации является хранение и воспроизведение информации. Запоминающие устройства принято делить на виды и категории в связи с их принципами функционирования, эксплуатационно-техническими, физическими, программными и др. характеристиками. Так, например, по принципам функционирования различают следующие виды устройств: электронные, магнитные, оптические и смешанные – магнитооптические. Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения/воспроизведения/записи цифровой информации. В связи с видом и техническим исполнением носителя информации различают: электронные, дисковые (магнитные, оптические, магнитооптические), ленточные, перфорационные и другие устройства.

      Дисковые  носители, как правило, намагничиваются вдоль концентрических полей – дорожек, расположенных по всей плоскости круглого носителя. Ленточные носители имеют продольно расположенные поля – дорожки. Запись производится, как правило, в цифровом коде.

      Дисковые  устройства делят на гибкие (Floppy Disk) и жесткие (Hard Disk) накопители и носители. Основным свойством дисковых магнитных устройств является запись информации на носитель на концентрические замкнутые дорожки с использованием физического и логического цифрового кодирования информации. Плоский дисковый носитель вращается в процессе чтения/записи, чем и обеспечивается обслуживание всей концентрической дорожки, чтение и запись осуществляется при помощи магнитных головок чтения/записи, которые позиционируют по радиусу носителя с одной дорожки на другую

      Дисковые  устройства как накопители информации принято делить в связи с их техническими свойствами и характером исполнения, а также принципами записи:

                          1. магнитные дисковые накопители

                          2. оптические дисковые накопители

                          3. магнитооптические дисковые накопители

      Рассмотрим организацию внешней памяти на примере магнитных дисков.

      Магнитные диски являются элементами устройств чтения-записи информации – дисководов. Сам магнитный диск – это пластиковый (для гибких или флоппи-дисков) или алюминиевый либо керамический (для жестких дисков) круг с магниточувствительным покрытием. В случае жесткого диска таких кругов может быть несколько, и все они в центре посажены на один стержень. Для гибкого диска такой круг один, при помещении в дисковод он фиксируется в центре. Во время работы диск раскручивается. Схема дисковода показана на рисунке: 

      Головки чтения-записи могут синхронно перемещаться в горизонтальном и вертикальном направлении (это показано стрелками), что позволяет им приблизиться к любой точке поверхности диска. Каждая точка поверхности рассматривается как отдельный бит внешней памяти.

      Гибкие  диски (Floppy Disk – FD) Гибкие дисковые устройства состоят из устройства чтения/записи – дисковода и непосредственного носителя – дискеты.

       Дискета представляет собой слой магнито-мягкого  материала, нанесенный на специальную подложку, выполненную из полимерного немагнитного пластического материала, степень жесткости которого может быть различна в зависимости от реализации. Носитель помещается в бумажный, пластмассовый или                                               другой кожух-корпус. В настоящее время, используются только двусторонние носители, следовательно покрытие нанесено с обеих сторон дискеты и чтение/запись  производится с обеих сторон. Дискеты различного диаметра, как правило, имеют разные оформления корпуса. Так гибкие диски диаметром 5.25 дюйма помещаются в бумажный кожух, а 3.14 – в пластмассовый. Дискета в кожухе свободно вращается приводом устройства – дисковода через окно центрального захвата, что обеспечивает прохождение площади дорожки под устройством чтения/записи называемом головкой чтения/записи.

      На  кожухе дискеты имеются, соответственно, отверстия: центрального захвата(3), отверстие  позиционирования головки(1),отверстие  физической защиты от записи (5, 8), направляющие отверстия и пазы (2), отверстия автоопределения типа магнитного  покрытия (9), отверстие определения полного оборота носителя (4). Отверстие для позиционирования магнитных головок чтения/ записи у 3.14 дюймовых носителей  закрыто  металлической задвижкой (7), а отверстие для центрального  захвата и вращения на шпинделе привода вращения диска, в отличие от носителя диаметром 5.25 дюймов, находится только с нижней стороны дискеты.. Каждый сменный дисковый магнитный носитель перед использованием в какой-либо операционной системе необходимо подготовить к приему данных. Такая операция называется форматированием. Форматирование дискет производится при помощи специального программного обеспечения – программ форматирования дисков и, как правило, специфично для каждой операционной системы.

            В зависимости от типа носителя, в соответствии с качеством магнитного покрытия, возможностями операционной системы и устройств дискеты можно форматировать для записи на них информации различного максимального объема, что достигается заданием таких параметров форматирования как число дорожек и секторов. Как правило, производителями дискет указывается параметр называемый числом точек на дюйм носителя – Track per inch (TPI).

      Рассмотрим подробнее структуру поверхности диска (или дисков). Элементы физической структуры следующие:

1. дорожка – концентрическая окружность, по которой движутся головки чтения-записи при размещении или поиске данных. Дорожки нумеруются, начиная с нуля. Нулевой номер имеет самая внешняя дорожка на диске;
2. секторы – блоки, в которых размещаются данные на дорожке при записи. Нумеруются, начиная с единицы. Помимо пользовательской информации (самих данных), сектора содержат служебную информацию, например, собственный номер. Сектора являются минимальными адресуемыми элементами данных для диска;
3. стороны диска. Нумеруются, начиная с нуля. Для винчестера, расположенного вертикально, нулевой номер имеет самая верхняя сторона, для гибкого диска нулевой номер у «лицевой» стороны дискеты;
4. цилиндр – совокупность дорожек с одинаковыми номерами на разных сторонах диска. Номера цилиндров совпадают с номерами дорожек;
5. кластер – совокупность секторов, имеющих смежные номера. Может состоять из одного сектора (для дискет) или нескольких (для винчестера). Является минимальным адресуемым элементом данных для операционной системы. Кластеры используются операционной системой для добавления данных к файлу: добавление очередной «порции» данных к файлу выполняется в объеме кластера независимо от того, что реальный объем добавляемых меньше объема кластера. Это приводит к нерациональному расходованию внешней памяти. Поэтому не рекомендуется хранить на диске большое количество маленьких файлов: они имеют много пустых «хвостов».

      Дискретное пространство диска имеет, в свою очередь, следующую структуру (она описана в порядке возрастания номеров сторон, дорожек и секторов):

1. таблица разделов PT (Partition Table). Состоит из четырех элементов, описывающих разделы диска, причем операционные системы используют только первые два элемента. Описание раздела диска содержит данные о первых и последних головках чтения-записи, дорожках, секторах раздела, общем количестве секторов в разделе, типе файловой системы и признак того, что раздел является загрузочным;
2. главная загрузочная запись MBR (Master Boot Record). Содержит код процессора, необходимый для дальнейшей загрузки операционной системы;
3. загрузочная запись операционной системы BR (Boot Record). Содержит следующую информацию: программу загрузки операционной системы, размер кластера, количество копий FAT, количество файлов в корневом каталоге Root, размер FAT и некоторую другую информацию;
4. таблица размещения файлов FAT (File Allocation Table) и ее копии. Содержит полную карту принадлежности кластеров файлам и используется операционными системами для хранения сведений о размещении файлов на диске и о «плохих» (bad) кластерах. В силу важности FAT она дублируется несколько раз;
5. корневой каталог Root. Это таблица, в которой каждая запись соответствует файлу или подкаталогу, подчиненному корневому каталогу диска, и имеет структуру:

• имя файла или подкаталога;

• тип файла,
• атрибуты, в которых определяются следующие параметры файла или подкаталога: предназначенность только для чтения, скрытость, системность, маркер принадлежности данной записи метке тома, признак принадлежности данной записи подкаталогу, а не файлу,  архивность;
• время создания;
• дата создания;
• номер начального кластера файла или подкаталога;
• размер файла.

      Следует подчеркнуть, что записи для файлов и подкаталогов идентичны за исключением двух характеристик: в поле атрибутов выставлен признак подкаталога и в поле размеров выставлен ноль.

• область размещения файлов FA (File Area). Содержит файлы и подкаталоги, которые описаны в Root. Следует иметь в виду, что при размещении файлов на диске операционная система выбирает для этого первые попавшие свободные кластеры. Поэтому в результате файл физически "разорван" на множество "кусков", что увеличивает время его сборки впоследствии. Такое явление называется фрагментацией файла. Для устранения фрагментации выполняют дефрагментацию файла, когда он по возможности "собирается" в единое целое, что позволяет оптимизировать работу с внешней памятью.

      Взаимосвязь областей Root, FAT, FA при поиске файла или каталога по его имени, указанному, например, в команде MS DOS, показана ниже.

      Пусть файл с именем ABC.TXT расположен в области FA в тех кластерах, которые выделены серым цветом (их номера показаны ниже): 

      Остальные кластеры свободны. Тогда в FAT в записях с номерами 10 – 17 появятся  данные, показанные в таблице: 

      Каждая запись FAT, как видно из таблицы, соответствует одному кластеру и либо содержит номер следующей записи в FAT, соответствующей кластеру  с продолжением файла, либо пуста (для незанятых кластеров).  Строго говоря, для свободных или «плохих» кластеров записи в FAT заполняются специальными соответствующими кодами.