Тема «Внешние запоминающие устройства ПЭВМ. Накопители информации»по дисциплине «Архитектура ЭВМ и Вычислительных систем»

Тема «Внешние запоминающие устройства ПЭВМ. Накопители информации»по дисциплине «Архитектура ЭВМ и Вычислительных систем»

Главная

Обучение

Архитектура ЭВМ и ВС

Тематика занятий

Внешние запоминающие устройства ПЭВМ. Накопители информации

Внешняя память обычно используется для долговременного хранения информации.

Структура электронных носителей приведена на рисунке.

Основным видом внешней памяти является магнитная память.
В конце 1898 года датчанин Вальдемар Поулсен (Valdemar Poulsen) предложил устройство для магнитной записи звука на стальную проволоку. Спустя 30 лет немецкий инженер Фриц Плеймер (Fritz Pfleumer) представил звукозаписывающее устройство с носителем в виде бумажной ленты, на которую наносилось тонкое стальное покрытие. В 1932 году немецкая компания AEG продемонстрировала первый звукозаписывающий аппарат, который получил название «Magnetophon».

Принцип магнитной записи заключается в воздействии электромагнитного поля на ферромагнитный материал магнитной ленты, осуществляемом при записи, а также перезаписи аналогового сигнала.
Магнитное поле в процессе записи изменяется в соответствии с изменениями электрических сигналов. Электрические колебания от источника звука подаются на записывающую головку и возбуждают в ней магнитное поле звуковой частоты (20 Гц – 20 кГц). Под действием этого поля происходит намагничивание отдельных участков магнитной ленты, равномерно перемещаемой вдоль головок записи, стирания и воспроизведения.

Магнитная лента обладает основным недостатком – способностью размагничиваться при длительном хранении и имеет неравномерную частотную характеристику (различная чувствительность к записи на разных частотах).

Кроме того, любая магнитная лента обладает собственными шумами (физические свойства магнитного слоя и способы записи-воспроизведения звука).

Для записи-воспроизведения, а также использования различных данных на машиночитаемые носители данных используется преобразование аналогового (звукового и видео) сигнала в цифровую форму. Такая технология получила название оцифровки информации.
Принцип оцифровки (кодирования) звука заключается в преобразовании непрерывного разного по величине амплитудно-частотного звукового и видео сигналов в закодированную последовательность чисел, представляющих дискретные значения амплитуд этого сигнала, взятые через определенный промежуток времени. Для этого необходимо измерять амплитуду сигнала через определённые промежутки времени и на каждом временном отрезке определять среднюю амплитуду сигнала. Согласно теореме Шенона (Котельникова), этот промежуток времени (частота) должен быть не меньше удвоенной максимальной частоты передаваемого звукового сигнала.

Эта частота называется частотой дискретизации.
Дискретизация – процесс взятия отсчётов непрерывного во времени сигнала в равноотстоящих друг от друга по времени точках, составляющих интервал дискретизации.
В процессе дискретизации измеряется и запоминается уровень аналогового сигнала. Чем реже (меньше) промежутки времени, тем качество закодированного сигнала выше.

Стримеры — ленточные носители используются для резервного копирования с целью обеспечения сохранности данных. В качестве таких устройств применяется стример (Рис.), а – носителя информации в них используются магнитные ленты в кассетах и ленточных картриджах. Обычно на магнитную ленту запись осуществляется побайтно, при этом домен соответствует двоичной единице. Если считывающее устройство его не обнаруживает, то полученное значение соответствует нулю.

Система записи на магнитные диски и дискеты несколько похожа на систему записи на пластинки.
В отличие от последних запись осуществляется не по спирали, а на концентрические окружности – дорожки («траки» — traks), расположенные на двух сторонах диска и образующие как бы цилиндры. Окружности, в свою очередь, делятся на сектора (Рис.). Каждый сектор дискеты, не зависимо от размеров дорожки, имеет одинаковый размер, равный 512 байт, что достигается различной плотностью записи: меньшей на периферии и большей ближе к центру дискеты.

Магнитооптический носитель информации

— внешние высоконадёжные устройства переноса и хранения информации.
Магнитооптические диски (МО) появились в 1988 году. МО диск заключён в пластиковый конверт (картридж) и является устройством произвольного доступа. Он совмещает в себе магнитный и оптический принципы хранения информации и представляет поликарбонатную подложку (слой) толщиной 1,2 мм, на которую нанесено несколько тонкоплёночных магнитных слоёв.
Запись лазером с температурой примерно в 200 градусов Цельсия на магнитный слой происходит одновременно с изменением магнитного поля.
Запись данных осуществляется лазером в магнитном слое. Под воздействием температуры в месте нагрева в магнитном слое уменьшается сопротивляемость изменению полярности, и магнитное поле изменяет полярность в нагретой точке на соответствующую двоичной единице. По окончании нагрева сопротивляемость увеличивается, но установленная полярность сохраняется. Стирание создаёт в магнитном поле одинаковую полярность, соответствующую двоичным нулям. При этом лазерный луч последовательно нагревает стираемый участок. Считывание записанных данных в слое производится лазером с меньшей интенсивностью, не приводящей к нагреву считываемого участка. При этом, в отличие от компакт-дисков, поверхность диска не деформируется.

Компактный оптический диск (CD) – это пластмассовый диск со специальным покрытием, на котором в цифровой форме размещается записанная информация.
Благодаря изменению скорости его вращения, дорожка относительно считывающего луча лазера движется с постоянной линейной скоростью. У центра диска скорость выше, а у края – медленнее (1,2–1,4 м/сек).
В CD используют лазер с длиной волны излучения = 0,78 мкм. «Прожигаемая» лазером цифровая информация сохраняется в виде «пит» – чёрточек шириной 0,6–0,8 мкм и длиной 0,9–3,3 мкм.

Выделяют три основных вида CD:

• CD-ROM, на которые запись, как правило, осуществляется фабрично методом штамповки с матрицы;
• CD-R, используемые для одно или несколькократной лазерной записи сессиями;
• CD-RW, предназначенные для многократных циклов записи-стирания.

В CD-R (Compact Disk Recordable) поверх отражающего слоя из золота, серебра или алюминия, расположен органический слой специального легкоплавкого пластика. Ввиду этого такой диск чувствителен к нагреванию и воздействию прямых солнечных лучей.

В CD-RW в качестве промежуточного слоя также используется органический состав, но он способен при сильном нагреве переходить из кристаллического (прозрачного для лазера) состояния в аморфное.

Слабый нагрев возвращает его обратно в кристаллическое состояние. Таким образом осуществляется перезапись.

DVD
В начале 1997 года появился стандарт компакт-дисков под названием DVD (Digital Video Disc), предназначенный в основном для записи высококачественных видеопрограмм. В дальнейшем аббревиатура DVD получила следующее значение – Digital Versatile Disc (универсальный цифровой диск), как более полно отвечающая возможностям этих дисков для записи звуковой, видео, текстовой информации, программного обеспечения ПК и др. DVD обеспечивает более высокое качество изображения, чем CD.
В них используется лазер с более короткой длиной волны излучения = 0,635–0,66 мкм. Это позволяет повысить плотность записи, т.е. уменьшить геометрические размеры пит до 0,15 мкм и шаг дорожки до 0,74 мкм.
Плотность записи оптических дисков определяется длиной волны лазера, то есть возможностью сфокусировать на поверхности диска луч с пятном, диаметр которого равен длине волны.

Вслед за DVD в конце 2001 года появились устройства Blu-Ray, позволяющие работать в синей области спектра с длиной волны = 450–400 нм.

Для увеличения ёмкости используют и флуоресцентные диски — FMD (Fluorescent Multilayer Disk). Принцип их действия заключающийся в изменении физических свойств (появление флуоресцентного свечения) некоторых химических веществ под воздействием лазерного луча.
Здесь вместо технологий CD и DVD, использующих отражённый сигнал, под воздействием лазера свет излучается непосредственно информационным слоем. Такие диски изготавливаются из прозрачного фотохрома. Под воздействием лазерного излучения в них происходит химическая реакция, и отдельные участки информационного слоя («питы») заполняются флуоресцентным материалом.

Этот метод может считаться методом объёмной записи данных. В большей степени такая запись возможна при использовании трёхмерной голографии, позволяющее ныне в кристалле размером с сахарный кубик, разместить до 1 Тб данных.

Flash-память – переносной энергонезависимый накопитель.
Обычно используются следующие стандарты флэш-памяти: CompactFlash, SmartMedia, Memory Stick, Floppy Disks, MultiMedia Cards и др. Они могут использоваться вместо дискет, лазерных и магнитооптических компактных, небольших жёстких дисков.
Современные сменные устройства флэш-памяти обеспечивают высокую скорость обмена данными (Ultra High Speed) – более 16,5 Мбит/с.
Для подключения к USB-порту компьютера используются специальные USB Flash Drive (Рис.), представляющие собой мобильные малогабаритные устройства хранения данных, не имеющие подвижных и вращающихся механических частей.

Используется два основных типа Flash-памяти: NAND и NOR.
Микросхемы NOR хорошо работают совместно оперативной памятью RAM, поэтому чаще используются для BIOS.
С середины 1990-х гг. появились микросхемы NAND в виде твердотельных дисков (SSD).
Для сравнения времени доступа у SDRAM оно составляет 10–50 мкс, у флэш-памяти – 50–100 мкс, а у жестких дисков – 5000–10000 мкс.

Голография – фотографический метод записи, воспроизведения и преобразования волновых полей. Впервые был предложен в 1947 году венгерским физиком Деннисом Габором. В 1960-е годы, с появлением лазера представилась возможность точно записывать и воспроизводить объёмные изображения в кристалле ниобата лития. С 1980-х годов, с появлением компакт-дисков, голографические устройства хранения информации на основе лазерной оптики стали одной из технологий внешней памяти.
Голографическая память представляет весь объём запоминающей среды носителя, при этом элементы данных накапливаются и считываются параллельно.
Современные голографические устройства хранения получили название HDSS (holographic data storage system).
Они содержат: лазер, расщепитель луча для разделения лазерного пучка, зеркала для направления лазерных лучей, жидкокристаллическую панель, используемую как пространственный модулятор света, линзы для фокусировки лазерных лучей, кристалл ниобата лития или фотополимер как запоминающее устройство, фотодетектор для считывания информации.

Сайт создан в системе uCoz

1.3.1. Хранение данных в памяти эвм.

Различают устройства хранения информации, реализованные в виде электронных схем, и накопители информации, при помощи которых данные записываются на какой-либо носитель, например магнитный или оптический (ранее использовались даже бумажные носители- перфокарты и перфоленты). Устройства, представляющие собой электронные схемы, отличаются небольшим временем доступа к данным, но не позволяют хранить большие объемы информации. Накопители информации наоборот дают возможность хранить большие объемы информации, но время ее записи и считывания больше.

Способы хранения битов в современных ЭВМ. Хранение бита в машине требует устройства, которое может находиться в двух состояниях, например, такого как выключатель (включен или выключен), реле (открыто или закрыто) пли флаг на флагштоке (поднят или опущен). Одно из состояний используется для обозначения 0, второе для обозначения 1.

Триггер – это схема, которая на выходе имеет значение 0 или 1, и это значение остается неизменным до тех пор, пока кратковременный импульс, исходящий от другой цепи, не заставит его переключиться на другое значение. Таким образом триггер может находиться в одном из двух состояний, одно из которых соответствует запоминанию двоичного нуля, другое — запоминанию двоичной единицы.

Современным способом хранения битов также является конденсатор, который состоит из двух небольших металлических пластин, расположенных параллельно друг другу на некотором расстоянии. Если к пластинам подсоединить источник напряжения: к одной пластине — положительный полюс, к другой — отрицательный, заряды из источника перейдут на пластины. Теперь, если убрать источник напряжения, то заряды останутся на пластинах. Если соединить пластины, то возникнет электрический ток, и заряды будут нейтрализованы. Таким образом, конденсатор может находиться в одном из двух состояний (заряжен и разряжен), одно из которых может быть принято за 0, другое — за 1. Современные технологии позволяют создать миллионы крошечных конденсаторов, объединенных в одну цепь на одной пластине (микросхеме, чипе). Поэтому конденсатор стал распространенным способом для хранения битов в машинах.

Триггеры и конденсаторы являются примерами систем хранения с различными степенями устойчивости. Триггер теряет введенные данные после отключения питания. Заряды конденсатора настолько слабы, что они имеют тенденцию рассеиваться сами по себе, даже когда машина включена. Следовательно, заряд конденсатора должен постоянно пополняться при помощи так называемой цепи регенерации. По причине этой неустойчивости память компьютера, построенная таким способом, часто называется динамической памятью. [1, 8]

Виды памяти показаны на рис. 1.2. Внутренняя память состоит из оперативного и постоянного запоминающего устройства.

Рис. 1.2. Виды памяти ЭВМ.

Назначение оперативной памяти – хранение данных, которые могут потребоваться в ближайшее время. В оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), которое часто также называют оперативной памятью, с диска или дискет копируются (загружаются) программы, которые выполняются в данный момент. Это значит, что когда вы запускаете какую-либо компьютерную программу, находящуюся на диске, она копируется в оперативную память, после чего процессор начинает выполнять команды, изложенные в этой программе. Часть ОЗУ, называемая «видеопамять», содержит данные, соответствующие текущему изображению на экране. При отключении питания содержимое ОЗУ стирается. Быстродействие (скорость работы) компьютера напрямую зависит от величины его ОЗУ, которое в современных компьютерах обычно составляет Гигабайты. В первых ПК фирмы IBM (1981г.) максимальный объем оперативной памяти был равным 640 Кбайт.

Структура памяти. Запоминающие схемы в оперативной памяти компьютера объединены в управляемые единицы, называемые ячейками памяти, при этом стандартный размер ячейки равен восьми битам или одному байту. Удобно конструировать оперативную память, в которой общее число ячеек является степенью двух. Небольшие компьютеры, применяемые в такой бытовой технике, например, в микроволновой печи, могут содержать оперативную память, насчитывающую только несколько сотен ячеек, в то время как большие компьютеры, используемые для хранения и обработки огромных массивов данных, могут содержать миллиарды ячеек в своей оперативной памяти.

Соотношения между единицами измерений памяти представлено в таблице 1.2.

Таблица 1.2. Единицы измерения памяти ЭВМ.

Единица	Содержит байт	Содержит Кбайт	Содержит Мбайт	Содержит Гбайт
1байт	1
1Кбайт	1024 (210)	1
1Мбайт	1048576 (220)	1024	1
1Гбайт	1073741824(230)	1048576	1024	1
1Тбайт	1099511627776	1073741824	1048576	1024

Хотя понятия «право» и «лево» не применимы по отношению к внутреннему строению машины, обычно считается, что биты внутри ячейки памяти упорядочены в строке. Последний бит левого конца называется старшим битом, так как если содержимое ячейки представляет собой число, то этот бит будет его старшим разрядом. Также бит, расположенный на правом конце, называют младшим битом.

Для того чтобы идентифицировать ячейки в оперативной памяти, каждой из них приписывается уникальное имя, которое называется адресом. Считается, что ячейки памяти расположены в ряд и пронумерованы по порядку, начиная с нуля. Такая система адресации не только позволяет единственным образом определить ячейку памяти, но также упорядочивает их, позволяя употреблять по отношению к ним такие выражения, как «следующая ячейка» или «предыдущая ячейка».

Важным следствием того, что и ячейки оперативной памяти, и биты в каждой ячейке упорядочены, является тот факт, что все биты в оперативной памяти, по существу, выстроены в длинный ряд. Следовательно, части этого ряда могут использоваться для хранения последовательностей битов, длина которых больше длины одной ячейки памяти. В частности, даже если память разделена на ячейки размером 1 байт, то мы можем хранить цепочку из 16 битов в двух последовательно расположенных ячейках.

Другим следствием представления оперативной памяти в виде упорядоченных ячеек с адресом является возможность индивидуального доступа к каждой ячейке, то есть данные, хранящиеся в оперативной памяти компьютера, могут обрабатываться в случайном порядке. Это объясняет то, что оперативную память часто называют памятью с произвольным доступом (RAM — Random Access Memory). Произвольный доступ к небольшим единицам данных (минимально это один байт) – коренное отличие оперативной памяти от устройств хранения данных, которые рассматриваются далее и в которых длинные последовательности байтов должны обрабатываться как блок. Когда оперативная память построена с использованием технологии динамической памяти (на конденсаторах), ее называют динамической памятью с произвольным доступом (DRAM — Dinamic RAM).

Для заполнения оперативной памяти схема, которая в действительности хранит биты, объединяется со схемой, необходимой для того, чтобы остальные схемы могли хранить и получать данные из ячеек памяти. Таким образом, другие схемы могут получить данные из памяти, запрашивая содержимое ячейки по определенному адресу (операцией чтения), или они могут записывать информацию в память, требуя, чтобы определенная последовательность битов была помещена в ячейку по определенному адресу (операцией записи).

Кэш память – это порция быстродействующей памяти (несколько килобайт), время отклика которой примерно равно времени отклика регистров. Часто она находится в центральном процессоре. В кэш-памяти машина хранит копию той части оперативной памяти, которая сейчас используется. При этом передача данных, которая обычно осуществляется между регистрами и оперативной памятью, происходит между регистрами и кэш-памятью. Все изменения потом передаются в оперативную память, но в более подходящее время.

ПЗУ и внешняя память.

Из-за зависимости от питания (обнуляется при отключении питания) и ограниченного размера оперативной памяти большинство машин снабжены устройствами хранения данных (mass storage sistem), которые включают в себя магнитные диски, компакт-диски и магнитные ленты. Основными отличиями устройств хранения данных от оперативной памяти являются их независимость от питания, большая емкость и, в большинстве случаев, автономность, то есть возможность перемещать запоминающую среду независимо от компьютера, что удобно для создания архивов.

Главным недостатком устройств хранения данных является то, что они требуют механического движения и, следовательно, обладают большим временем отклика по сравнению с оперативной памятью машины, которая является электронной.

Магнитные диски – тонкий вращающийся диск с магнитным покрытием. Запись информации на них основана на способности некоторых материалов, содержащих железо, сохранять намагниченность после кратковременного воздействия магнитного поля. Двоичные нули и единицы записываются на кольцеобразные дорожки диска в виде двух по-разному намагниченных участков. Головки чтения/записи располагаются над и/или под диском, так что, когда диск вращается, головка очерчивает кольцо на поверхности диска, называемое дорожкой. Дорожки разделены на дуги, которые называются секторами (на них информация записана в виде непрерывной последовательности битов размером 512байт). Емкость накопителя на дисках зависит от числа используемых дисков (поверхностей) и плотности расположения дорожек и секторов. Разбиение диска на дорожки и сектора называется форматированием диска.

Диски большой емкости, способные вмещать гигабайты информации, состоят из 5 – 10 жестких дисков, установленных на общем шпинделе. Устройство называется жестким диском (винчестером). Для большей скорости вращения головки чтения/записи в этих устройствах не соприкасаются с диском, а «плавают» над его поверхностью. Жесткий магнитный диск размещается внутри компьютера. Компьютер может иметь пакет (несколько) винчестеров.

Дискета представляет собой гибкий магнитный диск.

Компакт-диски – диски, состоящие из отражающего материала, покрытого прозрачным защитным слоем. Запись информации на них осуществляется посредством изменения структуры их отражающего слоя. Информация извлекается с диска при помощи лазерного луча, который контролирует отличия структуры отражающего слоя диска по мере его вращения. Информация на дисках формата CD-DA (емкость 500-700Мбайт) хранится на дорожке, похожей на спиральный желобок грампластинки. Формат DVD имеет емкость до 10Гбайт.

Магнитные ленты – информация записывается на магнитный слой тонкой пластиковой ленты, которая для хранения наматывается на бобину. Используется для автономного хранения данных (архив).

Флэш-диск – устройство хранения данных, содержащее микросхему электронной энергонезависимой памяти.

Информация на носителях хранится в виде файлов. Файл рассматривается как один многобитовый блок. Файл – область на магнитном диске, наименьшая единица хранения информации, содержащая последовательность байтов и зарегистрированная операционной системой под своим уникальным именем. Уникальное имя файла состоит из имени и расширения (типа файла). Тип файла изменить произвольно нельзя. Параметры, характеризующие файл (свойства): 1) полное имя файла; 2) объем файла в байтах; 3) дата создания файла; 4) время создания файла; 5) атрибуты файла, которые определяют степень доступа к файлу.

Логический диск — это либо весь диск, либо часть диска, предназначенная для хранения определенного объема информации. Логический диск обозначается большой латинской буквой с двоеточием. В компьютере может иметься доступ к нескольким жестким дискам, дисководам для дискет, CD-ромам. Каждый из них может представлять собой отдельный логический диск, но некоторые жесткие диски могут быть разделены на части, каждая из которых является отдельным логическим диском. Компьютер работает с каждым логическим диском как с отдельным устройством, хотя на самом деле он может представлять собой лишь часть реального (физического) диска и даже часть оперативной памяти.

Каталог (директория, англ. directory) (папка) — часть логического диска, предназначенная для хранения определенного объема информации (в виде файлов). Каталог может включать в себя несколько других каталогов (подкаталогов) и входить в состав другого каталога (надкаталога). Логический диск также является каталогом самого высокого уровня — корневым каталогом. Таким образом, на диске образуется система каталогов, имеющая древовидную (иерархическую) структуру.

Структура обработки информации на ЭВМ выглядит следующим образом. При вводе она кодируется единицами и нулями, т.е. битами, затем обрабатывается байтами. Если необходимо сохранить информацию – она «упаковывается» в файлы. При обращении к файлам происходит обратный процесс перехода от кодовой формы к естественной и понятной нам (декодирование информации).

Как компьютер хранит данные?

FutureLearn использует куки-файлы для повышения удобства использования веб-сайта. Все файлы cookie, кроме строго необходимых, в настоящее время отключены для этого браузера. Включите JavaScript, чтобы применить настройки файлов cookie для всех необязательных файлов cookie. Вы можете ознакомиться с политикой FutureLearn в отношении файлов cookie здесь.

Прежде чем вы посмотрите, как работает процессор компьютера, вам нужно посмотреть, как компьютер может хранить данные. Здесь мы расскажем, как это работает.

Прежде чем вы посмотрите, как работает компьютерный процессор, вам нужно посмотреть, как компьютер может хранить данные. Здесь мы расскажем, как это работает.

Выше приведена схема ячейки памяти, состоящей из транзистора и конденсатора (компонент, способный удерживать электрический заряд). Транзистор позволяет заряжать конденсатор. Полностью заряженный конденсатор будет представлять 1 , а разряженный конденсатор будет представлять 0 .

Эти ячейки памяти можно расположить в виде сетки. Например, на приведенной ниже диаграмме они расположены в виде сетки, состоящей из восьми ячеек памяти. К любой из этих ячеек можно получить доступ, и 1 или 0 записывается в ячейку памяти.

Поскольку к любой конкретной ячейке памяти можно получить доступ случайным образом, она называется оперативной памятью или сокращенно ОЗУ.

На самом деле существует много разных типов ячеек памяти и много разных типов RAM. Однако вам не нужно беспокоиться о деталях, поэтому вы можете думать об оперативной памяти как о таблице чисел.

Вы можете использовать адреса, чтобы сказать вам, в какие ячейки памяти записывается часть данных. Сами данные являются содержимым этих ячеек. В зависимости от обстоятельств это будет 8-битное, 16-битное, 32-битное или даже 64-битное число (таким образом, каждый адрес соответствует восьми однобитным ячейкам памяти или 16 однобитным ячейкам и т. д.)

И точно так же, как с транзисторами в наших процессорах, вы можете получить миллиарды ячеек памяти в модуле RAM, таком как тот, что ниже.

Большинству настольных и портативных компьютеров для работы требуется один или несколько модулей оперативной памяти, подключенных к материнской плате. Компьютеры, как правило, поставляются с уже установленными модулями, но вы также можете увеличить объем ОЗУ, заменив этот модуль или поместив дополнительные модули ОЗУ в дополнительные слоты на материнской плате.

Эта статья из бесплатного онлайн

Как работают компьютеры: демистификация вычислений

Создано

Присоединяйся сейчас

Мы предлагаем широкий выбор курсов от ведущих университетов и учреждений культуры со всего мира. Они предоставляются поэтапно и доступны на мобильных устройствах, планшетах и ​​компьютерах, поэтому вы можете приспособить обучение к своей жизни.

Мы считаем, что обучение должно быть приятным, социальным опытом, поэтому наши курсы дают возможность обсудить то, что вы изучаете, с другими, помогая вам делать новые открытия и формировать новые идеи.
Вы можете открыть новые возможности с неограниченным доступом к сотням кратких онлайн-курсов в течение года, подписавшись на наш безлимитный пакет. Развивайте свои знания в ведущих университетах и ​​организациях.

Узнайте больше о том, как FutureLearn меняет доступ к образованию

Что такое компьютерная память и как она используется?

Хранение данных — это коллективные методы и технологии, которые собирают и сохраняют цифровую информацию на электромагнитных, оптических или кремниевых носителях. Хранилище используется в офисах, центрах обработки данных, периферийных средах, удаленных местах и ​​домах людей. Память также является важным компонентом мобильных устройств, таких как смартфоны и планшеты. Потребители и предприятия полагаются на хранилище для хранения информации, начиная от личных фотографий и заканчивая критически важными для бизнеса данными.

Хранилище часто используется для описания устройств, которые подключаются к компьютеру — напрямую или по сети — и которые поддерживают передачу данных посредством операций ввода-вывода (I/O). Устройства хранения могут включать жесткие диски (HDD), твердотельные накопители (SSD) на основе флэш-памяти, приводы оптических дисков, ленточные системы и другие типы носителей.

Почему важно хранить данные

С появлением больших данных, расширенной аналитики и изобилия устройств Интернета вещей (IoT) хранение как никогда важно для обработки растущих объемов данных. Современные системы хранения также должны поддерживать использование искусственного интеллекта (ИИ), машинного обучения и других технологий ИИ для анализа всех этих данных и извлечения их максимальной ценности.

Современные сложные приложения, аналитика баз данных в режиме реального времени и высокопроизводительные вычисления также требуют высокоплотных и масштабируемых систем хранения, будь то сети хранения данных (SAN), масштабируемые и масштабируемые сетевые хранилища (NAS). ), платформы хранения объектов или конвергентная, гиперконвергентная или компонуемая инфраструктура.

Согласно отчету ИТ-аналитической компании IDC, к 2025 году ожидается создание 163 зеттабайт (ZB) новых данных. Оценка представляет собой потенциальное десятикратное увеличение по сравнению с 16 ZB, произведенными до 2016 года. IDC также сообщает, что только в 2020 году было создано или воспроизведено 64,2 ZB данных.

Как работает хранилище данных

Термин «хранилище» может относиться как к хранимым данным, так и к интегрированным аппаратным и программным системам, используемым для сбора, управления, защиты и определения приоритетов этих данных. Данные могут поступать из приложений, баз данных, хранилищ данных, архивов, резервных копий, мобильных устройств или других источников, и они могут храниться локально, в периферийных вычислительных средах, на объектах совместного размещения, на облачных платформах или в любой их комбинации.

Требования к емкости хранилища определяют, сколько места необходимо для хранения этих данных. Например, простые документы могут занимать всего килобайты памяти, в то время как графические файлы, такие как цифровые фотографии, могут занимать мегабайты, а видеофайлы могут занимать гигабайты памяти.

В компьютерных приложениях обычно указываются минимальные и рекомендуемые требования к емкости, необходимые для их запуска, но это лишь часть истории. Администраторы хранилища также должны учитывать, как долго данные должны храниться, применимые нормативные требования, используются ли методы сокращения данных, требования к аварийному восстановлению (DR) и любые другие проблемы, которые могут повлиять на емкость.

В этом видео от CHM Nano Education объясняется роль магнетизма в хранении данных.

Жесткий диск представляет собой круглую пластину, покрытую тонким слоем магнитного материала. Диск вставляется в шпиндель и вращается со скоростью до 15 000 оборотов в минуту (об/мин). При вращении данные записываются на поверхность диска с помощью магнитных записывающих головок. Высокоскоростной исполнительный рычаг позиционирует записывающую головку на первое доступное место на диске, позволяя записывать данные по кругу.

На электромеханическом диске, таком как HDD, блоки данных хранятся в секторах. Исторически жесткие диски использовали сектора размером 512 байт, но ситуация начала меняться с введением расширенного формата, который может поддерживать сектора размером 4096 байт. Расширенный формат увеличивает плотность битов на каждой дорожке, оптимизирует способ хранения данных и повышает эффективность формата, что приводит к увеличению емкости и надежности.

На большинстве твердотельных накопителей данные записываются на объединенные микросхемы флэш-памяти NAND, которые используют либо ячейки с плавающим затвором, либо ячейки ловушки заряда для сохранения своих электрических зарядов. Эти заряды определяют состояние двоичного бита (1 или 0). Технически SSD — это не накопитель, а скорее интегральная схема, состоящая из кремниевых чипов миллиметрового размера, которые могут содержать тысячи или даже миллионы нанотранзисторов.

Многие организации используют иерархическую систему управления хранилищем для резервного копирования своих данных на дисковые устройства. Резервное копирование данных считается передовой практикой, когда данные необходимо защитить, например, когда организации подпадают под действие правовых норм. В некоторых случаях организация будет записывать свои резервные данные на магнитную ленту, используя ее в качестве третичного уровня хранения. Однако такой подход практикуется реже, чем в прошлые годы.

Организация также может использовать виртуальную ленточную библиотеку (VTL), которая вообще не использует ленты. Вместо этого данные записываются на диски последовательно, но сохраняют характеристики и свойства ленты. Ценность VTL заключается в его быстром восстановлении и масштабируемости.

Измерение объемов хранения

Цифровая информация записывается на целевой носитель с помощью программных команд. Наименьшей единицей измерения в памяти компьютера является бит, который имеет двоичное значение 0 или 1. Значение бита определяется уровнем электрического напряжения, содержащегося в одном конденсаторе. Восемь бит составляют один байт.

Компьютеры, системы хранения и сетевые системы используют два стандарта для измерения объемов памяти: десятичную систему с основанием 10 и двоичную систему с основанием 2. Для небольших объемов хранения расхождения между двумя стандартами обычно не имеют большого значения. Однако эти несоответствия становятся гораздо более заметными по мере увеличения емкости хранилища.

Различия между двумя стандартами видны при измерении как битов, так и байтов. Например, следующие измерения показывают разницу в значениях битов для нескольких распространенных десятичных (по основанию 10) и двоичных (по основанию 2) измерений:

• 1 килобит (Кб) равен 1000 бит; 1 кибибит (Kib) равен 1024 битам
• 1 мегабит (Мб) равен 1000 Кб; 1 мебибит (Миб) равен 1024 КБ
• 1 гигабит (Гб) равен 1000 Мб; 1 гибибит (Gib) равен 1024 МБ
• 1 терабит (Тб) равен 1000 Гб; 1 тебибит (тиб) равен 1024 гиб
• 1 петабит (Pb) равен 1000 Tb; 1 пебибит (пиб) равен 1024 тиб
• 1 эксабит (Eb) равен 1000 Pb; 1 exbibit (Eib) равен 1024 Pib

Различия между десятичными и двоичными стандартами также можно увидеть для нескольких распространенных измерений байтов:

• 1 килобайт (КБ) равен 1000 байт; 1 кибибайт (КиБ) равен 1024 байтам
• 1 мегабайт (МБ) равен 1000 КБ; 1 мебибайт (МиБ) равен 1024 КиБ
• 1 гигабайт (ГБ) равен 1000 МБ; 1 гибибайт (ГиБ) равен 1024 МБ
• 1 терабайт (ТБ) равен 1000 ГБ; 1 тебибайт (ТиБ) равен 1024 ГиБ
• 1 петабайт (ПБ) равен 1000 ТБ; 1 пебибайт (ПиБ) равен 1024 ТиБ
• 1 эксабайт (ЭБ) равен 1000 ПБ; 1 эксбибайт (EiB) равен 1024 PiB

Измерения хранилища могут относиться к емкости устройства или объему данных, хранящихся в устройстве. Суммы часто выражаются с использованием десятичных соглашений об именах, таких как килобайты, мегабайты или терабайты, независимо от того, основаны ли суммы на десятичных или двоичных стандартах.

К счастью, многие системы теперь различают эти два стандарта. Например, производитель может указать доступную емкость на устройстве хранения как 750 ГБ, что основано на десятичном стандарте, в то время как операционная система указывает доступную емкость как 698 ГиБ. В этом случае ОС использует двоичный стандарт, четко показывая несоответствие между двумя измерениями.

Некоторые системы могут предоставлять измерения на основе обоих значений. Примером этого является IBM Spectrum Archive Enterprise Edition, в котором для представления хранения данных используются как десятичные, так и двоичные единицы измерения. Например, система отобразит значение 512 терабайт как 9.0090 512 ТБ (465,6 ТиБ) .

Немногим организациям требуется одна система хранения или подключенная система, которая может хранить эксабайт данных, но есть системы хранения, которые масштабируются до нескольких петабайт. Учитывая скорость, с которой растут объемы данных, эксабайтное хранилище может в конечном итоге стать обычным явлением.

Сравнение измерений двоичных и десятичных данных

В чем разница между оперативной памятью и хранилищем?

Оперативная память (ОЗУ) — это аппаратное обеспечение компьютера, в котором временно хранятся данные, к которым процессор компьютера может быстро получить доступ. Данные могут включать в себя файлы ОС и приложений, а также другие данные, важные для текущих операций компьютера. Оперативная память является основной памятью компьютера и работает намного быстрее, чем обычные устройства хранения, такие как жесткие диски, твердотельные накопители или оптические диски.

Оперативная память компьютера обеспечивает немедленную доступность данных для процессора, как только они потребуются.

Самая большая проблема с оперативной памятью заключается в том, что она энергозависима. Если компьютер теряет питание, все данные, хранящиеся в оперативной памяти, теряются. Если компьютер выключается или перезагружается, данные необходимо загрузить заново. Это сильно отличается от типа постоянного хранилища, предлагаемого твердотельными накопителями, жесткими дисками или другими энергонезависимыми устройствами. Если они теряют питание, данные все равно сохраняются.

Хотя большинство запоминающих устройств намного медленнее, чем оперативная память, их энергонезависимость делает их необходимыми для выполнения повседневных операций.

Устройства хранения

также дешевле в производстве и могут хранить гораздо больше данных, чем ОЗУ. Например, большинство ноутбуков имеют 8 ГБ или 16 ГБ оперативной памяти, но они также могут поставляться с сотнями гигабайт или даже терабайтами памяти.

RAM обеспечивает мгновенный доступ к данным. Хотя хранилище также связано с производительностью, его конечная цель — обеспечить безопасное хранение данных и доступ к ним при необходимости.

Оценка иерархии хранилища

Организации все чаще используют многоуровневое хранилище для автоматизации размещения данных на различных носителях. Данные размещаются на определенном уровне в зависимости от емкости, производительности и соответствия требованиям. Уровни данных, в самом простом случае, начинаются с классификации данных как первичных или вторичных, а затем их сохранения на носителе, наиболее подходящем для этого уровня, с учетом того, как используются данные и какой тип носителя для этого требуется.

Значения первичных и вторичных хранилищ менялись с годами. Первоначально основное хранилище относилось к ОЗУ и другим встроенным устройствам, таким как кэш-память L1 процессора, а вторичное хранилище относилось к твердотельным накопителям, жестким дискам, лентам или другим энергонезависимым устройствам, которые поддерживали доступ к данным посредством операций ввода-вывода.

Первичное хранилище обычно обеспечивало более быстрый доступ, чем вторичное хранилище, из-за близости хранилища к процессору компьютера. С другой стороны, вторичное хранилище может содержать гораздо больше данных и может реплицировать данные на резервные устройства хранения, обеспечивая при этом высокую доступность активных данных. Это было также дешевле.

Хотя такое использование все еще сохраняется, термины «первичное» и «вторичное хранилище» приобрели немного разные значения. В наши дни основное хранилище, иногда называемое основным хранилищем, обычно относится к любому типу хранилища, которое может эффективно поддерживать повседневные приложения и бизнес-процессы. Основное хранилище обеспечивает непрерывную работу рабочих нагрузок приложений, занимающих центральное место в повседневном производстве и основных направлениях деятельности компании. Первичные носители данных могут включать твердотельные накопители, жесткие диски, память класса хранения (SCM) или любые устройства, обеспечивающие производительность и емкость, необходимые для выполнения повседневных операций.

Напротив, вторичное хранилище может включать практически любой тип хранилища, не считающийся первичным. Вторичное хранилище может использоваться для резервных копий, моментальных снимков, справочных данных, архивных данных, старых операционных данных или любых других типов данных, которые не являются критическими для основных бизнес-операций. Вторичное хранилище обычно поддерживает резервное копирование и аварийное восстановление и часто включает облачное хранилище, которое иногда является частью конфигурации гибридного облака.

Цифровая трансформация бизнеса также побудила все больше и больше компаний использовать несколько облачных хранилищ, добавляя удаленный уровень, который расширяет вторичное хранилище.

Типы устройств/носителей данных

В самом широком смысле носители данных могут относиться к широкому спектру устройств, которые обеспечивают различные уровни емкости и скорости. Например, это может быть кэш-память, динамическая оперативная память (DRAM) или основная память; магнитная лента и магнитный диск; оптические диски, такие как CD, DVD и Blu-ray; твердотельные накопители на основе флэш-памяти, устройства SCM и различные варианты хранения в оперативной памяти. Однако при использовании термина «хранилище данных» большинство людей имеют в виду жесткие диски, твердотельные накопители, устройства SCM, оптические накопители или ленточные системы, отличая их от энергозависимой памяти компьютера.

Вращающиеся жесткие диски

используют пластины, уложенные друг на друга, покрытые магнитным носителем, с головками дисков, которые считывают и записывают данные на носитель. Жесткие диски широко используются в персональных компьютерах, серверах и корпоративных системах хранения данных, но их быстро вытесняют твердотельные накопители, которые обеспечивают превосходную производительность, обеспечивают большую надежность, потребляют меньше энергии и занимают меньше места. Они также начинают достигать ценового паритета с жесткими дисками, хотя этого еще не произошло.

Внешний жесткий диск

Большинство твердотельных накопителей хранят данные на микросхемах энергонезависимой флэш-памяти. В отличие от вращающихся дисков, твердотельные накопители не имеют движущихся частей и все чаще встречаются во всех типах компьютеров, несмотря на то, что они дороже жестких дисков. Некоторые производители также поставляют устройства хранения данных, в которых используется флэш-память на серверной части и высокоскоростной кэш-память, например DRAM, на внешней стороне.

В отличие от жестких дисков, флэш-накопители не используют движущиеся механические части для хранения данных, что обеспечивает более быстрый доступ к данным и меньшую задержку, чем жесткие диски. Флэш-память является энергонезависимой, как и жесткие диски, что позволяет данным сохраняться в памяти, даже если система хранения теряет питание, но флэш-память еще не достигла того же уровня надежности, что и жесткий диск, что приводит к гибридным массивам, которые объединяют оба типа носителей. (Стоимость является еще одним фактором при разработке гибридных хранилищ.) Однако, когда речь идет о долговечности твердотельных накопителей, типы рабочих нагрузок и устройства NAND также могут играть важную роль в долговечности устройства, и в этом отношении твердотельные накопители могут значительно отличаться от одного устройства к другому.

С 2011 года все больше предприятий внедряют массивы all-flash на основе технологии флэш-памяти NAND в качестве дополнения или замены массивов жестких дисков. Организации также начинают использовать устройства SCM, такие как твердотельные накопители Intel Optane, которые обеспечивают более высокую скорость и меньшую задержку, чем хранилища на основе флэш-памяти.

Intel Optane SSD на базе 3D XPoint

Когда-то внутренние и внешние оптические накопители широко использовались в потребительских и бизнес-системах. На оптических дисках может храниться программное обеспечение, компьютерные игры, аудиоконтент или фильмы. Их также можно использовать в качестве вторичного хранилища для любого типа данных. Тем не менее, достижения в области технологий жестких дисков и твердотельных накопителей, а также распространение потоковой передачи через Интернет и флэш-накопителей с универсальной последовательной шиной (USB) уменьшили зависимость от оптических накопителей. Тем не менее, оптические диски гораздо более долговечны, чем другие носители данных, и их производство недорого, поэтому они до сих пор используются для аудиозаписей и фильмов, а также для долгосрочного архивирования и резервного копирования данных.

Различные форматы оптических носителей Карты флэш-памяти

встраиваются в цифровые камеры и мобильные устройства, такие как смартфоны, планшеты, аудиомагнитофоны и медиаплееры. Флэш-память также используется на картах Secure Digital, CompactFlash, MultiMediaCard (MMC) и USB-накопителях.

Флэш-память

Физические магнитные гибкие диски в наши дни используются редко, если вообще используются. В отличие от старых компьютеров, новые системы не оснащены дисководами для гибких дисков. Использование гибких дисков началось в 19 в.70-х, но диски были сняты с производства в конце 1990-х. Иногда вместо 3,5-дюймовой физической дискеты используются виртуальные дискеты, что позволяет пользователям монтировать файл образа так же, как диск A: на компьютере.

Поставщики корпоративных хранилищ предлагают интегрированные системы NAS, помогающие организациям собирать большие объемы данных и управлять ими. Аппаратное обеспечение включает в себя массивы хранения или серверы хранения, оснащенные жесткими дисками, флэш-накопителями или их гибридной комбинацией. Система NAS также поставляется с программным обеспечением ОС для хранения данных для предоставления услуг данных на основе массива.

Схема массива хранения

Многие корпоративные массивы хранения поставляются с программным обеспечением для управления хранением данных, которое предоставляет инструменты защиты данных для архивирования, клонирования или управления резервным копированием, репликацией или моментальными снимками. Программное обеспечение также может обеспечивать управление на основе политик для управления размещением данных для их распределения по уровням во вторичном хранилище данных или для поддержки плана аварийного восстановления или долгосрочного хранения. Кроме того, многие системы хранения теперь включают функции сокращения объемов данных, такие как сжатие, дедупликация данных и тонкое выделение ресурсов.

Общие конфигурации хранения

Во многих современных бизнес-системах хранения используются три основных варианта: хранилище с прямым подключением (DAS), NAS и сеть хранения данных (SAN).

корпоративный массив хранения Pure Storage FlashBlade

Простейшей конфигурацией является DAS, которая может быть внутренним жестким диском на отдельном компьютере, несколькими дисками на сервере или группой внешних дисков, которые подключаются непосредственно к серверу через такой интерфейс, как интерфейс малых компьютеров (SCSI). Serial Attached SCSI (SAS), Fibre Channel (FC) или Internet SCSI (iSCSI).

NAS — это файловая архитектура, в которой несколько файловых узлов совместно используются пользователями, как правило, в локальной сети на основе Ethernet (LAN). Система NAS имеет несколько преимуществ. Для этого не требуется полнофункциональная операционная система корпоративного хранилища, устройствами NAS можно управлять с помощью утилиты на основе браузера, а каждому сетевому узлу назначается уникальный IP-адрес, что упрощает управление.

С масштабируемым NAS тесно связано хранилище объектов, которое устраняет необходимость в файловой системе. Каждый объект представлен уникальным идентификатором, и все объекты представлены в одном плоском пространстве имен. Хранилище объектов также поддерживает широкое использование метаданных.

Сеть SAN может охватывать несколько центров обработки данных, которым требуется высокопроизводительное блочное хранилище. В среде SAN блочные устройства отображаются для хоста как локально подключенное хранилище. Каждый сервер в сети может получить доступ к общему хранилищу, как если бы это был диск с прямым подключением.

Современные технологии хранения

Достижения в области флэш-памяти NAND в сочетании с падением цен в последние годы проложили путь к программно-определяемым системам хранения. Используя эту конфигурацию, предприятие устанавливает недорогие твердотельные накопители на серверы на базе x86, а затем использует стороннее программное обеспечение для хранения данных или пользовательский код с открытым исходным кодом для применения управления хранением.

Энергонезависимая экспресс-память (NVMe) — это стандартный отраслевой протокол, разработанный специально для твердотельных накопителей на основе флэш-памяти. NVMe быстро становится протоколом де-факто для флеш-накопителей. Флэш-память NVMe позволяет приложениям напрямую взаимодействовать с центральным процессором (ЦП) через каналы PCIe Interconnect Peripheral Component Interconnect Express (PCIe), минуя необходимость передачи наборов команд SCSI через адаптер сетевой хост-шины.

NVMe может использовать преимущества технологии SSD так, как это невозможно с интерфейсами SATA и SAS, которые были разработаны для более медленных жестких дисков. По этой причине NVMe over Fabrics (NVMe-oF) был разработан для оптимизации связи между твердотельными накопителями и другими системами через сетевую структуру, такую ​​как Ethernet, FC и InfiniBand.

Энергонезависимый двухрядный модуль памяти (NVDIMM) представляет собой гибридное устройство NAND и DRAM со встроенным резервным питанием, которое подключается к стандартному слоту DIMM на шине памяти. Устройства NVDIMM выполняют обычные вычисления в DRAM, но используют флэш-память для других операций. Однако для распознавания устройства хост-компьютеру требуются необходимые драйверы базовой системы ввода-вывода (BIOS).

Модули

NVDIMM используются в первую очередь для расширения системной памяти или повышения производительности хранилища, а не для увеличения емкости. Текущие модули NVDIMM на рынке имеют максимальную емкость 32 ГБ, но форм-фактор увеличил плотность с 8 ГБ до 32 ГБ всего за несколько лет.

Энергонезависимый двухрядный модуль памяти (NVDIMM) представляет собой гибрид NAND и DRAM.

Основные поставщики систем хранения данных

Консолидация на корпоративном рынке в последние годы привела к расширению круга поставщиков основных систем хранения данных. Те компании, которые вышли на рынок с дисковыми продуктами, в настоящее время получают большую часть своих продаж от систем хранения на основе флэш-памяти или гибридных систем хранения, включающих как твердотельные, так и жесткие диски.

Ведущие поставщики на рынке включают:

• Dell EMC, подразделение хранения данных Dell Technologies
• Hewlett Packard Enterprise (HPE)
• Хитачи Вантара
• Хранилище IBM
• Инфинидат
• NetApp
• Чистое хранилище
• Корпорация Квант
• Кумуло
• Тинтри
• Вестерн Диджитал

Более мелкие поставщики, такие как Drobo, iXsystems, QNAP и Synology, также продают различные типы продуктов для хранения данных.