К примерам внешней памяти относятся в управлении

Обновлено: 06.07.2024

Система управления базами данных (СУБД) — совокупность программных и лингвистических средств общего или специального назначения, обеспечивающих управление созданием и использованием баз данных.

Основные функции СУБД¶

управление данными во внешней памяти (на дисках);
управление данными в оперативной памяти с использованием дискового кэша;
журнализация изменений, резервное копирование и восстановление базы данных после сбоев;
поддержка языков БД (язык определения данных, язык манипулирования данными).

Обычно современная СУБД содержит следующие компоненты:

ядро, которое отвечает за управление данными во внешней и оперативной памяти и журнализацию,
процессор языка базы данных, обеспечивающий оптимизацию запросов на извлечение и изменение данных и создание, как правило, машинно-независимого исполняемого внутреннего кода,
подсистему поддержки времени исполнения, которая интерпретирует программы манипуляции данными, создающие пользовательский интерфейс с СУБД
а также сервисные программы (внешние утилиты), обеспечивающие ряд дополнительных возможностей по обслуживанию информационной системы.

Классификации СУБД¶

По модели данных¶

Иерархические¶

Используется представление базы данных в виде древовидной (иерархической) структуры, состоящей из объектов (данных) различных уровней.

Между объектами существуют связи, каждый объект может включать в себя несколько объектов более низкого уровня. Такие объекты находятся в отношении предка (объект более близкий к корню) к потомку (объект более низкого уровня), при этом возможна ситуация, когда объект-предок не имеет потомков или имеет их несколько, тогда как у объекта-потомка обязательно только один предок. Объекты, имеющие общего предка, называются близнецами (в программировании применительно к структуре данных дерево устоялось название братья).

Иерархической базой данных является файловая система, состоящая из корневого каталога, в котором имеется иерархия подкаталогов и файлов.

Примеры: Caché, Google App Engine Datastore API.

Сетевые¶

Сетевые базы данных подобны иерархическим, за исключением того, что в них имеются указатели в обоих направлениях, которые соединяют родственную информацию.

Реляционные¶

Практически все разработчики современных приложений, предусматривающих связь с системами баз данных, ориентируются на реляционные СУБД. По оценке Gartner в 2013 году рынок реляционных СУБД составлял 26 млрд долларов с годовым приростом около 9%, а к 2018 году рынок реляционных СУБД достигнет 40 млрд долларов. В настоящее время абсолютными лидерами рынка СУБД являются компании Oracle, IBM и Microsoft, с общей совокупной долей рынка около 90%, поставляя такие системы как Oracle Database, IBM DB2 и Microsoft SQL Server.

Объектно-ориентированные¶

Управляют базами данных, в которых данные моделируются в виде объектов, их атрибутов, методов и классов.

Этот вид СУБД позволяет работать с объектами баз данных так же, как с объектами в программировании в объектно-ориентированных языках программирования. ООСУБД расширяет языки программирования, прозрачно вводя долговременные данные, управление параллелизмом, восстановление данных, ассоциированные запросы и другие возможности.

Объектно-реляционные¶

Этот тип СУБД позволяет через расширенные структуры баз данных и язык запросов использовать возможности объектно-ориентированного подхода: бъекты, классы и наследование.

Зачастую все те СУБД, которые называются реляционными, являются, по факту, объектно-реляционными.

В данном курсе мы будем, в первую очередь, гооврить об этом виде СУБД.

Примеры: PostgreSQL, DB2, Oracle, Microsoft SQL Server.

По степени распределённости¶

Локальные СУБД (все части локальной СУБД размещаются на одном компьютере)
Распределённые СУБД (части СУБД могут размещаться на двух и более компьютерах).

По способу доступа к БД¶

Файл-серверные¶

В файл-серверных СУБД файлы данных располагаются централизованно на файл-сервере. СУБД располагается на каждом клиентском компьютере (рабочей станции). Доступ СУБД к данным осуществляется через локальную сеть. Синхронизация чтений и обновлений осуществляется посредством файловых блокировок. Преимуществом этой архитектуры является низкая нагрузка на процессор файлового сервера. Недостатки: потенциально высокая загрузка локальной сети; затруднённость или невозможность централизованного управления; затруднённость или невозможность обеспечения таких важных характеристик как высокая надёжность, высокая доступность и высокая безопасность. Применяются чаще всего в локальных приложениях, которые используют функции управления БД; в системах с низкой интенсивностью обработки данных и низкими пиковыми нагрузками на БД.

На данный момент файл-серверная технология считается устаревшей, а её использование в крупных информационных системах — недостатком.

Примеры: Microsoft Access, Paradox, dBase, FoxPro, Visual FoxPro.

Клиент-серверные¶

Клиент-серверная СУБД располагается на сервере вместе с БД и осуществляет доступ к БД непосредственно, в монопольном режиме. Все клиентские запросы на обработку данных обрабатываются клиент-серверной СУБД централизованно. Недостаток клиент-серверных СУБД состоит в повышенных требованиях к серверу. Достоинства: потенциально более низкая загрузка локальной сети; удобство централизованного управления; удобство обеспечения таких важных характеристик как высокая надёжность, высокая доступность и высокая безопасность.

Примеры: Oracle, Firebird, Interbase, IBM DB2, Informix, MS SQL Server, Sybase Adaptive Server Enterprise, PostgreSQL, MySQL, Caché, ЛИНТЕР.

Встраиваемые¶

Встраиваемая СУБД — СУБД, которая может поставляться как составная часть некоторого программного продукта, не требуя процедуры самостоятельной установки. Встраиваемая СУБД предназначена для локального хранения данных своего приложения и не рассчитана на коллективное использование в сети. Физически встраиваемая СУБД чаще всего реализована в виде подключаемой библиотеки. Доступ к данным со стороны приложения может происходить через SQL либо через специальные программные интерфейсы (API).

Примеры: OpenEdge, SQLite, BerkeleyDB, Firebird Embedded, Microsoft SQL Server Compact, ЛИНТЕР.

Стратегии работы с внешней памятью¶

СУБД с непосредственной записью — это СУБД, в которых все измененные блоки данных незамедлительно записываются во внешнюю память при поступлении сигнала подтверждения любой транзакции. Такая стратегия используется только при высокой эффективности внешней памяти.

СУБД с отложенной записью — это СУБД, в которых изменения аккумулируются в буферах внешней памяти до наступления любого из следующих событий:

контрольной точки;
конец пространства во внешней памяти, отведенное под журнал. СУБД выполняет контрольную точку и начинает писать журнал сначала, затирая предыдущую информацию;
останов. СУБД ждёт, когда всё содержимое всех буферов внешней памяти будет перенесено во внешнюю память, после чего делает отметки, что останов базы данных выполнен корректно;
при нехватке оперативной памяти для буферов внешней памяти.

Такая стратегия позволяет избежать частого обмена с внешней памятью и значительно увеличить эффективность работы СУБД.

Более точно, к числу функций СУБД принято относить следующие:

1. Непосредственное управление данными во внешней памяти

Эта функция включает обеспечение необходимых структур внешней памяти как для хранения данных, непосредственно входящих в БД, так и для служебных целей, например, для ускорения доступа к данным в некоторых случаях (обычно для этого используются индексы). В некоторых реализациях СУБД активно используются возможности существующих файловых систем, в других работа производится вплоть до уровня устройств внешней памяти . Но подчеркнем, что в развитых СУБД пользователи в любом случае не обязаны знать, использует ли СУБД файловую систему, и если использует, то как организованы файлы. В частности, СУБД поддерживает собственную систему именования объектов БД .

2. Управление буферами оперативной памяти

СУБД обычно работают с БД значительного размера; по крайней мере, этот размер обычно существенно больше доступного объема оперативной памяти. Понятно, что если при обращении к любому элементу данных будет производиться обмен с внешней памятью, то вся система будет работать со скоростью устройства внешней памяти . Практически единственным способом реального увеличения этой скорости является буферизация данных в оперативной памяти. При этом, даже если операционная система производит общесистемную буферизацию (как в случае ОС UNIX ), этого недостаточно для целей СУБД , которая располагает гораздо большей информацией о полезности буферизации той или иной части БД . Поэтому в развитых СУБД поддерживается собственный набор буферов оперативной памяти с собственной дисциплиной замены буферов.

Заметим, что существует отдельное направление СУБД , которое ориентировано на постоянное присутствие в оперативной памяти всей БД . Это направление основывается на предположении, что в будущем объем оперативной памяти компьютеров будет настолько велик, что позволит не беспокоиться о буферизации. Пока эти работы находятся в стадии исследований.

3. Управление транзакциями

Транзакция - это последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД как единое целое.

Либо транзакция успешно выполняется, и СУБД фиксирует изменения БД , произведенные этой транзакцией, во внешней памяти, либо ни одно из этих изменений никак не отражается на состоянии БД .

Понятие транзакции необходимо для поддержания логической целостности БД . Приведем пример информационной системы с файлами СОТРУДНИКИ и ОТДЕЛЫ, единственным способом не нарушить целостность БД при выполнении операции приема на работу нового сотрудника является объединение элементарных операций над файлами СОТРУДНИКИ и ОТДЕЛЫ в одну транзакцию. Таким образом, поддержание механизма транзакций является обязательным условием даже однопользовательских СУБД (если, конечно, такая система заслуживает названия СУБД ). Но понятие транзакции гораздо более важно в многопользовательских СУБД .

То свойство, что каждая транзакция начинается при целостном состоянии БД и оставляет это состояние целостным после своего завершения, делает очень удобным использование понятия транзакции как единицы активности пользователя по отношению к БД . При соответствующем управлении параллельно выполняющимися транзакциями со стороны СУБД каждый из пользователей может в принципе ощущать себя единственным пользователем СУБД (на самом деле, это несколько идеализированное представление , поскольку в некоторых случаях пользователи многопользовательских СУБД могут ощутить присутствие своих коллег).

4. Журнализация

Одним из основных требований к СУБД является надежность хранения данных во внешней памяти. Под надежностью хранения понимается то, что СУБД должна быть в состоянии восстановить последнее согласованное состояние БД после любого аппаратного или программного сбоя. Обычно рассматриваются два возможных вида аппаратных сбоев: так называемые мягкие сбои, которые можно трактовать как внезапную остановку работы компьютера (например, аварийное выключение питания), и жесткие сбои, характеризуемые потерей информации на носителях внешней памяти. Примерами программных сбоев могут быть: аварийное завершение работы СУБД ( по причине ошибки в программе или в результате некоторого аппаратного сбоя) или аварийное завершение пользовательской программы, в результате чего некоторая транзакция остается незавершенной. Первую ситуацию можно рассматривать как особый вид мягкого аппаратного сбоя; при возникновении последней требуется ликвидировать последствия только одной транзакции.

Понятно, что в любом случае для восстановления БД нужно располагать некоторой дополнительной информацией. Другими словами, поддержание надежности хранения данных в БД требует избыточности хранения данных, причем та часть данных, которая используется для восстановления, должна храниться особо надежно. Наиболее распространенным методом поддержания такой избыточной информации является ведение журнала изменений БД .

Журнал - это особая часть БД, недоступная пользователям СУБД и поддерживаемая с особой тщательностью (иногда поддерживаются две копии журнала, располагаемые на разных физических дисках), в которую поступают записи обо всех изменениях основной части БД. В разных СУБД изменения БД журнализуются на разных уровнях: иногда запись в журнале соответствует некоторой логической операции изменения БД (например, операции удаления строки из таблицы реляционной БД ), иногда - минимальной внутренней операции модификации страницы внешней памяти; в некоторых системах одновременно используются оба подхода.

Во всех случаях придерживаются стратегии "упреждающей" записи в журнал (так называемого протокола Write Ahead Log - WAL). Грубо говоря, эта стратегия заключается в том, что запись об изменении любого объекта БД должна попасть во внешнюю память журнала раньше, чем измененный объект попадет во внешнюю память основной части БД . Известно, что если в СУБД корректно соблюдается протокол WAL, то с помощью журнала можно решить все проблемы восстановления БД после любого сбоя.

Самая простая ситуация восстановления - индивидуальный откат транзакции. Строго говоря, для этого не требуется общесистемный журнал изменений БД . Достаточно для каждой транзакции поддерживать локальный журнал операций модификации БД , выполненных в этой транзакции, и производить откат транзакции, путем выполнения обратных операций, следуя от конца локального журнала. В некоторых СУБД так и делают, но в большинстве систем локальные журналы не поддерживают, а индивидуальный откат транзакции выполняют по общесистемному журналу, для чего все записи от одной транзакции связывают обратным списком (от конца к началу).

5. Поддержка языков БД

Для работы с базами данных используются специальные языки, в целом называемые языками баз данных. В ранних СУБД поддерживалось несколько специализированных по своим функциям языков. Чаще всего выделялись два языка

язык определения схемы БД (SDL - Schema Definition Language) и
язык манипулирования данными ( DML - Data Manipulation Language ).

SDL служил главным образом для определения логической структуры БД , т.е. той структуры БД , какой она представляется пользователям. DML содержал набор операторов манипулирования данными, т.е. операторов, позволяющих заносить данные в БД , удалять, модифицировать или выбирать существующие данные.

В современных СУБД обычно поддерживается единый интегрированный язык, содержащий все необходимые средства для работы с БД , начиная от ее создания, и обеспечивающий базовый пользовательский интерфейс с базами данных. Стандартным языком наиболее распространенных в настоящее время реляционных СУБД является язык запросов SQL (Structured Query Language ).

Язык SQL содержит специальные средства определения ограничений целостности БД . Опять же, ограничения целостности хранятся в специальных таблицах-каталогах, и обеспечение контроля целостности БД производится на языковом уровне, т.е. при компиляции операторов модификации БД компилятор SQL на основании имеющихся в БД ограничений целостности генерирует соответствующий программный код.

Специальные операторы языка SQL позволяют определять так называемые представления БД , фактически являющиеся хранимыми в БД запросами (результатом любого запроса к реляционной БД является таблица ) с именованными столбцами. Для пользователя представление является такой же таблицей, как любая базовая таблица , хранимая в БД , но с помощью представлений можно ограничить или наоборот расширить видимость БД для конкретного пользователя. Поддержание представлений производится также на языковом уровне.

Наконец, авторизация доступа к объектам БД производится также на основе специального набора операторов SQL . Идея состоит в том, что для выполнения операторов SQL разного вида пользователь должен обладать различными полномочиями. Пользователь , создавший таблицу БД , обладает полным набором полномочий для работы с этой таблицей. В число этих полномочий входит полномочие на передачу всех или части полномочий другим пользователям, включая полномочие на передачу полномочий. Полномочия пользователей описываются в специальных таблицах-каталогах, контроль полномочий поддерживается на языковом уровне.

Функциональные возможности СУБД

По степени универсальности различают два класса СУБД :

системы общего назначения - реализованные как программный продукт, способный функционировать на ЭВМ в определённой операционной системе и поставляемый пользователям как коммерческое изделие;
специализированные системы - создаваемые в случаях невозможности или не целесообразности использования СУБД общего назначения.

СУБД общего назначения - это сложные программные комплексы, предназначенные для выполнения всей совокупности функций, связанных с созданием и эксплуатацией БД информационной системы.

Рынок программного обеспечения ПК располагает большим числом разнообразных по своим функциональным возможностям коммерческих систем СУБД общего назначения.

СУБД - лидеры на рынке программ:

dBASE IV, компании Borland International;
Microsoft Access 2007;
Microsoft FoxPro 2.6 for DOS;
Microsoft FoxPro for Windows, Microsoft Corp:
Paradox for DOS 4.5:
Paradox for Windows, версия 4.5 Borland.

Производительность СУБД оценивается:

временем выполнения запросов;
скоростью поиска информации;
временем выполнения операций импортирования данных из других форматов;
скоростью выполнения таких операций как обновления, вставка, удаление данных;
максимальным числом параллельных обращений к данным в многопользовательском режиме;
временем генерации отчёта.

На производительность СУБД оказывают влияния 2 фактора:

правильное проектирование
построения БД.

СУБД , которые следят за соблюдением целостности данных, несут дополнительную нагрузку, которую не испытывают другие программы;

Целостность данных подразумевает наличие средств, позволяющих удостовериться, что информация в БД всегда остаётся корректной и полной.

Операции , обеспечивающие безопасность :

шифрование прикладных программ;
шифрование данных;
защита паролем;
ограничение уровня доступа

Хороший уровень безопасности в СУБД dBase IV, Access

Для сохранения информации используется двойной подход. Некоторые операции сохранения происходят в обход операционной системы

Целостность должна обеспечиваться независимо от того, каким образом данные заносятся в память , не конкретных действий пользователей, пробоев сети и т.п.

Он предусматривает назначение паролей для индивидуальных пользователей или групп пользователей и присвоение различных прав доступа отдельно таблицам, запросам, отчётам на уровне пользователя или группы.

Краткие итоги

Рассмотрены вопросы классификации БД и СУБД .

По технологии обработки данных БД делятся на централизованные БД и распределённые БД . Централизованные БД могут быть с сетевым доступом. Архитектуры систем централизованных БД с сетевым доступом подразделяются на файл-сервер и клиент- сервер . Распределённая БД разделяется по способу доступа к данным БД с локальным и удаленным доступом.

СУБД - классифицируются по языкам общения и по выполняемым функциям.

Для системы управления базой данных сложились три языка: язык описания данных (ЯОД), язык манипулирования данными (ЯМД), язык запросов .

Основные функции СУБД : непосредственное управление данными во внешней памяти, управление буферами оперативной памяти, управление транзакциями , журнализация , поддержка языков БД .

По степени универсальности различают два класса СУБД : системы общего назначения , специализированные системы.

Следует отметить, что монитор или другое средство отображения видеоинформации необходимы только для пользователя, поскольку компьютер может работать и без них. Перечень устройств, без которых он не сможет функционировать, следующий: блок питания, CPU, материнская плата, видеоадаптер, оперативная память и контроллер жестких дисков.

Назначение основных узлов

Микропроцессор — устройство, которое предназначено для обработки информации, управления сопряжением и обменом между другими устройствами. Выполнен на одной интегральной микросхеме, состоящей из множества полупроводниковых элементов (транзисторов). Следует отметить, что CPU работает только с логическими устройствами.

Материнская плата — важный элемент любого компьютера, ноутбука, нетбука и прочих smart-устройств. Логической единицей являются чипсеты, которые называются северным и южным мостами. К первому подключаются только быстродействующие устройства: CPU, оперативная память, видеокарта и внутренняя шина для сопряжения с южным мостом. К последнему подключены все остальные девайсы. Необходимо отметить, что на материнской плате есть микросхема, отвечающая за связь устройств. Она «конвертирует» физические девайсы в логические — дает соответствующие прерывания, по которым и происходит сопряжение.

Следующим элементом является внутренняя память. Она предназначена для непосредственной обработки данных и выдачи конечного результата. Иными словами, это память, с которой работает микропроцессор. Ее можно классифицировать следующим образом: энергозависимый и энергонезависимый виды. К первому можно отнести оперативную память или оперативное запоминающее устройство, а также кеш-память. В некоторой литературе можно встретить и сокращение RAM, которое расшифровывается Random Access Memory. При выключении питания ее содержимое уничтожается.

Кеш-память бывает первого и второго уровней. Находится она в микросхеме CPU. В некоторых источниках можно найти информацию о кеше третьего уровня. Однако этот тип получен программным путем из RAM. Необходимо отметить, что кеш-память работает быстрее RAM. Именно с ней и взаимодействует микропроцессор. Постоянная память или CMOS в BIOS предназначена для постоянного хранения информации. Она запитана от автономного источника питания. Видеоадаптер предназначен для кодирования и декодирования графической информации.

Другие девайсы

Основной функцией внешней памяти компьютера является способность к автономному и долговременному хранению данных на разнообразных носителях, которые являются энергонезависимыми. Основным отличием от внутренней памяти является быстродействие. Звуковая карта позволяет получать сигналы слышимого диапазона, т. е. можно слушать музыку, смотреть фильмы и играть в игры.

Сетевой адаптер позволяет осуществлять обмен информацией между другими компьютерами. Блок питания подает электрическую энергию на основные узлы. Внешние устройства расширяют возможности ЭВМ. К ним относятся следующие девайсы: мышь, клавиатура, монитор, веб-камера, принтер и т. д. Корпус предназначен для защиты устройств от механических повреждений, воды и перегрева (обеспечивает вентиляцию).

Внешняя память

Устройства внешней памяти состоят из двух элементов — носителей и накопителей. С помощью первых осуществляется перенос данных с одного компьютера на другой. Вторые используются для считывания информации с первых. Какие носители информации относятся к внешней памяти, зависит от установленных накопителей на компьютере.

Другое определение ВЗУ, которое можно найти в учебниках по информатике, — область для хранения данных, неиспользуемых в RAM. Микропроцессор не работает напрямую с ВЗУ, поскольку оно является очень медленным. Информация загружается в ОЗУ, а затем в кеш-память, и обрабатывается. Затем результат попадает в RAM. После этого информация записывается на носитель.

Накопители отличаются конструктивной особенностью, емкостью поддерживаемых носителей, скоростью считывания и записи данных. Специалисты выделяют виды внешней памяти компьютера на следующих магнитных и оптических носителях:

Гибкие.
Жесткие.
Оптические.
Flash (флешки).

Первый тип не используется на современных компьютерах, поскольку дискеты обладают очень маленьким объемом. Второй тип предназначен для подключения винчестера. Он еще называется контроллером жестких дисков. Информация передается через специальный шлейф, с помощью которого осуществляется управление девайсом.

Дисковод для компакт-дисков предназначен для чтения и записи информации. Процедура осуществляется с помощью головки со специальным лазером. Четвертый накопитель является универсальным портом (USB). Он необходим для подключения разнообразных устройств, поддерживающих его. На южном мосте есть специальная микросхема. Она осуществляет опознавание flash-носителя, «превращая» его в логический диск для дальнейшей работы. Последний накопитель предназначен для чтения и записи данных на оптический диск большой емкости (от 25 до максимальной в 128 ГБ).

Жесткий диск

Винчестер или накопитель на жестких магнитных дисках — сложное устройство с записью магнитного типа для хранения данных и произвольного доступа к ним. Им оснащены практически все компьютеры. Запись происходит на жесткие стеклянные или алюминиевые пластины. Они покрыты слоем материала, имеющего ферромагнитные свойства. Диск может содержать одну или две пластины, размещенные на одной оси или шпинделе. Между ними размещены считывающие головки.

При быстром вращении шпинделя образуется поток воздуха. Следовательно, головки не касаются поверхности ферромагнетика. Расстояние между ними равно 10 нм (10^(-9) = 0,00000001 м.). Если диск не работает, то они находятся у шпинделя и не касаются магнитной поверхности. При аварийном отключении электроэнергии устройство считывания, благодаря использованию конденсаторных блоков, отводится на безопасное расстояние. Конденсаторы служат для накопления электрического заряда определенной емкости, которой хватает для правильного завершения работы винчестера.

Носитель информации находится внутри компьютера. Он совмещен с накопителем и электронной платой, которая называется вспомогательным контроллером.

Конструктивная особенность

Основными частями винчестера являются гермозона и электрическая плата (блок электроники). Первая часть состоит из корпуса (прочный сплав), считывающего механизма (головки и устройство позиционирования), дисков и двигателя шпинделя. Внутри нее отсутствует вакуумное пространство, поскольку производители наполняют область очищенным воздухом без примесей воды или азотом.

Давление выравнивается при помощи специального фильтра с мембраной для избежания деформации во время полета в самолете или перегрева. Если в гермозону попали мелкие частички, то при вращении они попадают в пылеулавливатель. Головки состоят из сплава на основе алюминия. Диски покрыты ферромагнетиком (сплав окиси железа, марганца и т. д. ) и изготавливаются из прочного металлического сплава. Фирма IBM делала их также из пластика и стекла, но модели оказались недолговечными. Количество пластин зависит от емкости устройства.

Закрепляются магнитные диски на оси, которая называется шпинделем. Она вращается со скоростью от 5200 до 15000 об/мин. Если диски еще не набрали соответствующих оборотов, то головки находятся в парковочной зоне. Вращение происходит при помощи вентильного электродвигателя. Между магнитными пластинами находится сепаратор в виде диска из пластика или алюминия. Он применяется для стабилизации потока воздуха или газа.

Устройство позиционирования — соленоидный электродвигатель малоинерционного типа. Блок электроники состоит из таких элементов: постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), буфера (памяти), блоков управляющего сигнала, интерфейса и цифровой обработки сигнала. В ПЗУ находятся информация о модели и программы, которые управляют работой блоков.

Буферная память предназначена для увеличения быстродействия. Блок управляющего сигнала принимает и обрабатывает информацию от различных датчиков (скорость вращения, противоударный акселерометр, давления, температуры, свободных падений и угловых ускорений).

Блок интерфейса осуществляет сопряжение между элементами винчестера и компьютером. Кодирование и декодирование информации осуществляется узлом цифровой обработки.

Технические характеристики

При покупке винчестера нужно обратить внимание на его характеристики, поскольку от них зависит производительность всего компьютера. К ним относятся следующие:

Интерфейс — взаимодействие двух независимых устройств. Бывают следующих типов: ATA, eSATA, SАТА, SCSI, SAS, FireWirе, SDIО и Fibrе СНАNNЕL.
Емкость — важный параметр, указывающий на количество информации, которую можно записать на носитель.
Геометрические параметры — размер устройства, измеряемый в дюймах.
Random Access Time — параметр, характеризующий время доступа к данным.
Частота вращения шпинделя — скорость, с которой вращается ось.
Средняя продолжительность наработки на отказ — параметр, показывающий время работы устройства до первого отказа.
Число опросов в секунду (IOPS) показывает максимальную величину элементарных операций в секунду во время записи и чтения.
Мощность — параметр, показывающий количество потребляемой энергии за единицу времени.
Скорость передачи данных — величина передачи или приема максимального блока информации за 1 секунду.
Объем буфера — количество памяти для уменьшения различий между операциями чтения и записи, а также последующей передачи данных по интерфейсу в RAM.

Однако следует обратить внимание на все характеристики, кроме 3, 4, 6, 7 и 9, поскольку у современных дорогих моделей они оптимальны.

Оптические диски и flash-устройства

Одним из распространенных информационных носителей являются сменные оптические диски (название получили из-за принципа записи и чтения). Они отличаются по емкости и производительности. К ним можно отнести следующие:

CD-R и CD-RW.
DVD-R и DVD-RW (DVD-5).
DVD-RAM.
Blu-ray.

СD-R и CD-RW являются дисками, емкость которых составляет 700 МБайт. На первый можно записать информацию только 1 раз, а второй поддерживает многократную запись. На DVD-R и DVD-RW можно записывать данные объемом до 4,45 ГБ (фирма-производитель указывает емкость 4,7 ГБ). Второй поддерживает многократную запись. Оптические DVD бывают следующих модификаций:

DVD-9: двухслойный односторонний (8,5 ГБ).
DVD-10: двухсторонний (9,4 ГБ).
DVD-14: двухсторонний с тремя информационными слоями (на одной — один, а на второй — два слоя). Его емкость составляет 13,2 ГБ.
DVD-18: две стороны и два слоя (17 ГБ).

DVD-RAM — отдельная группа носителей (4,7 и 9,4 ГБ), позволяющая просто копировать информацию с помощью обыкновенного проводника. Диски типа Blu-ray классифицируются следующим образом:

HD DVD-R: записывается только 1 раз. Бывают однослойными и двухслойными (15 ГБ и 30 ГБ соответственно).
HD DVD-RW поддерживает многократную запись (15 ГБ и 30 ГБ).
ВD-R: одноразовый (25 и 50 ГБ).
ВD-RЕ: многократная запись (25 и 50 ГБ).

Флеш-память (карта памяти) — носитель информации, позволяющий хранить некоторые данные в микросхемах. Они не имеют в своем составе частей, которые двигаются. Такая конструктивная особенность обеспечивает высокую степень надежности хранения. Применяется в мобильных устройствах и в автономном виде (пример — обыкновенная «флешка»).

Карта памяти вставляется в специальное устройство для считывания или USB-порт. Они поддерживают такие объемы информации: 2, 4, 8, 16, 32, 48 и 64 ГБ. Недостатком является отсутствие единого стандарта, подходящего не под все порты и накопители.

Таким образом, внешняя применяется для расширения внутренней памяти. Она позволяет сохранять данные и переносить на другие ЭВМ.

Долговременная (внешняя) память — это энергонезависимая память, предназначенная для длительного хранения информации.

Процессор не имеет прямого доступа к содержимому внешней памяти. Чтобы процессор мог обработать данные из долговременной памяти, они должны быть сначала загружены в оперативную память. В настоящее время к основным устройствам долговременной памяти относятся жесткие магнитные диски, накопители на оптических дисках, устройства флеш-памяти. Ранее для длительного хранения информации использовались также магнитные ленты, дискеты, магнито-оптические диски.

Основным устройством внешней памяти является жесткий магнитный диск (рисунок 1). Внутри жесткого диска находятся одна или несколько пластин, насаженных на общий шпиндель. Данные обычно записываются на обеих сторонах каждой пластины, хотя в некоторых жестких дисках производители наряду с двухсторонними пластинами могут использовать и односторонние. Запись и чтение информации осуществляются с помощью головок чтения/записи. Под пластинами располагается двигатель, который вращает их с достаточно большой скоростью. Скорость вращения пластин измеряется в оборотах в минуту (rpm). Первые жесткие диски имели скорость вращения 3600 rpm. В современных жестких дисках скорость вращения возросла до 7200, 10 000 и 15 000 оборотов в минуту.

Рисунок 1 - Жесткий диск

В процессе записи цифровая информация, хранящаяся в оперативной памяти, преобразуется в переменный электрический ток, который поступает на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Перед использованием жесткого диска необходимо выполнить операцию его форматирования.

Форматирование включает в себя три этапа.

1. Низкоуровневое форматирование диска. При этом процессе на жестком диске создаются физические структуры: дорожки, секторы, управляющая информация. Этот процесс выполняется заводом-изготовителем на пластинах, которые не содержат еще никакой информации.

2. Разбиение на разделы. Этот процесс разбивает жесткий диск на логические диски (С:, D: и т. д.). Эту функцию выполняет операционная система.

3. Высокоуровневое форматирование. Этот процесс также выполняется операционной системой и зависит от ее типа. При высокоуровневом форматировании создаются логические структуры, ответственные за правильное хранение файлов, а также, в некоторых случаях, системные загрузочные файлы в начале диска.

Жесткие диски изначально создавались в качестве внутренних устройств и не были предназначены для резервного копирования и переноса информации с одного компьютера на другой. Около 20 лет назад самым распространенным устройством, предназначенным для этих целей, были дискеты (гибкие магнитные диски). Однако их емкость по современным меркам была очень мала (1,44 Мбайт), поэтому на смену им пришли оптические диски CD (компакт-диски), позволяющие хранить достаточно большие объемы информации (650-800 Мбайт) и намного превосходящие дискеты по степени надежности. Для работы с компакт-дисками на компьютере необходимо наличие специального привода (оптического накопителя).

Обзор жесткого диска представлен на видео 1:

Обзор жесткого диска.MTS

Различают диски «только для чтения» (CD-ROM), изготавливаемые промышленным способом, для однократной записи (CD-R) и для многократной записи (CD-RW). Диски последних двух типов предназначены для записи на специальных пишущих оптических накопителях. Все типы дисков имеют одинаковую структуру хранения информации. Данные с помощью луча красного лазера записываются на спиральную дорожку, идущую от центра диска к его периферии. Вдоль дорожки располагаются углубления, называемые питами (pit — «углубление»). На записываемых дисках питы имитируются темными пятнами специального регистрирующего слоя, получившимися в результате нагрева нужного участка лазером. Чередованием углублений и промежутков между ними и кодируется любая информация.

Диски DVD имеют более высокую плотность записи данных, чем CD-диски. Существуют диски, на которых запись информации производится в два слоя. В зависимости от указанных выше параметров DVD-диски могут иметь объем 4,7 Гб или 8,5 Гб. Все компакт-диски (и CD, и DVD) имеют одинаковую структуру хранения информации. Скорость чтения/записи оптических приводов измеряется в единицах, кратных базовой скорости (обозначается 16х, 24х, 48х и т. д.). Для приводов CD базовая скорость равна 150 Кб/с, для DVD — 1,385 Мб/с.

Blu-ray (Blu-ray Disc) является названием формата оптического диска следующего поколения. В Blu-Ray для записи и чтения данных вместо красного лазера, который используется в DVD и CD-ROM, применен синий лазер. У синего лазера длина волны значительно меньше длины волны красного лазера. Это позволяет сделать толщину дорожки данных тоньше, что приводит к значительному увеличению емкости носителя. Формат был разработан для обеспечения возможности записи, перезаписи и воспроизведения видео высокого разрешения (HD-video), а также для хранения больших объемов данных. Емкость нового формата — от 25 до 50 Гб.

По устройству флеш-память (flash-память) напоминает микросхему динамической энергозависимой памяти, в которой вместо конденсаторов в ячейках памяти установлены транзисторы. При подаче напряжения транзистор принимает одно из фиксированных положений — закрытое или открытое. Он остается в этом положении до тех пор, пока на него не будет подан новый электрический заряд, изменяющий его состояние. Таким образом, последовательность логических нулей и единиц формируется в этом типе памяти подобно статической памяти: закрытые для прохождения электрического тока ячейки распознаются как логические единицы, открытые — как логические нули.

USB flash drive (флеш-накопитель, рисунок 2) — устройство на основе флеш-памяти для хранения и переноса данных с одного компьютера на другой.

Читайте также: