Состав, классификация и характеристики периферийных устройств

Внешние запоминающие устройства

Накопители с магнитным носителем

В настоящее время распространены три типа накопителей с магнитной записью информации: на жестких (несъемных) магнитных дисках (НЖМД или " винчестеры "), на гибких магнитных дисках (НГМД или флоппи-дисководы) и на магнитной ленте (НМЛ или стримеры).

НЖМД содержит один или несколько жестких алюминиевых или стеклянных дисков, покрытых слоем ферромагнитного материала, которые смонтированы на оси-шпинделе. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря тонкой прослойке воздуха (доли микрон), образуемой при быстром вращении дисков. Скорость вращения современных винчестеров составляет 5400-15000 об/мин. Информация записывается на диск в результате изменения ориентации магнитных доменов на участке поверхности диска под записывающей головкой. Для кодирования информации в первых винчестерах использовался метод MFM^{13MFM (Modified Frequency Modulation) - Модифицированная частотная модуляция.}. В этом случае "1" переводится в комбинацию "01", а "0" - в комбинацию "10", если следует за битом "0", или в "00", если следует за битом "1", что обеспечивает не более трех нулей подряд. При записи этой последовательности на диск логическая "1" кодируется сменой намагниченности на соответствующем участке, а логический "0" - отсутствием смены (рис. 16.3). Это означает, что один переход намагниченности соответствует 1-3 битам.

Рис. 16.3. Схема кодирования MFM

Впоследствии стала использоваться схема кодирования RLL^{14RLL (Run Length Limited) - Кодирование с ограничением длины поля записи.}. Алгоритмы RLL обеспечивают такую закодированную последовательность, что длина поля записи (количество бит между переходами от "0" к "1" или от "1" к "0") ограничена определенным диапазоном [d+1; k+1]. Параметры d и k задаются модификацией алгоритма (обозначается RLL d,k). Для винчестеров использовался RLL 2,7: 8 бит данных перекодируются в 16 так, чтобы в последовательности встречалось не менее двух и не более семи нулей. Затем был внедрен RLL 3,9 (Advanced RLL) и т.п. Большинство современных накопителей используют ту или иную модификацию RLL.

Поверхность магнитного носителя в ее первозданном виде - это всего лишь магнитное покрытие, которое не готово к работе. Структура диска, включающая в себя дорожки (концентрические полоски, но которые разделена каждая сторона пластины), цилиндры (дорожки на обеих сторонах пластины, расположенные на окружностях с одинаковым радиусом) и сектора (участки дорожки, представляющие собой наименьший размер порции данных, которая может быть изменена в результате перезаписи), формируется при физическом (низкоуровневом) форматировании. В ходе этой операции контроллер накопителя записывает на носитель служебную информацию: байты синхронизации, указывающие на начало каждого сектора, идентификационные заголовки, состоящие из номеров головки, сектора и цилиндра, байты контрольной суммы CRC (Cyclic Redundancy Check) и коды обнаружения ошибок ECC (Error Correction Code); при этом происходит также маркировка дефектных секторов для исключения обращения к ним в процессе эксплуатации диска.

Все современные винчестеры поддерживают технологию SMART (Self-Monitoring, Analysis and Reporting Technology), которая предполагает выполнение внутренней диагностики винчестера, определяющей состояние двигателя, магнитных головок, рабочих поверхностей носителя и контроллера.

Определенный интерес представляют также накопители со сменным носителем: НГМД и НМЛ (последние реже используются в настольных системах).

Обычно дискета (floppy disk) представляет собой гибкую пластиковую пластину, покрытую ферромагнитным слоем. Эта пластина помещается в гибкую или жесткую оболочку, защищающую магнитный слой от физических повреждений. Запись и считывание дискет осуществляется с помощью специального устройства - дисковода (флоппи-дисковода). Дискеты обычно имеют функцию защиты от записи, посредством которой можно предоставить доступ к данным только в режиме чтения.

Первая дискета диаметром в 200 мм (8 дюймов) с соответствующим дисководом была представлена фирмой IBM в 1971. В первых моделях IBM PC использовались дискеты диаметром 133 мм (5 дюйма). В 1982 году фирма Sony представила дискеты диаметром 90 мм (3 дюйма) и дисководы для них. Широкое распространение этот тип дискет получил в 1984 году, когда Apple использовала новый формат для компьютеров Macintosh. Фирма IBM приняла решение использовать 3,5-дюймовые дисководы только в 1987 году в компьютерах серии PS/2. Наиболее популярные форматы дискет представлены в табл. 16.3. При записи на дискету используется кодирование MFM.

Внутренние дисководы подключаются при помощи интерфейса SA-400, разработанного в начале 1970-х годов компанией Shugart Associates. Интерфейс относится к категории интерфейсов на уровне устройства, т.к. содержит сигналы, характерные для функций устройства (Motor On - включить мотор, Index - проход индексной метки, Side 1 Select - выбор головки и т.п.) Интерфейс обеспечивает скорость порядка 300 Кбит/с.

Таблица 16.3. Форматы дискет диаметром 5 " и 3 " (двухсторонние)

Тип дискеты15DS (double sided) - двухсторонние, DD (Double Density) - двойной плотности записи, QD (Quad Density) - четверной плотности записи, HD (High Density) - высокой плотности записи, ED (Extended Density) - расширенной плотности записи.	5 " DS/DD	5 " DS/QD	3 " DS/DD	3 " DS/HD	3 " DS/ED
Размер, Кбайт	360	1200	720	1440	2880
Год выпуска	1978	1984	1984	1987	1991
Дорожек/секторов16Параметры стандартного форматирования: дорожек на сторону/секторов на дорожку.	40/9	80/15	80/9	80/18	80/36

Носители на магнитной ленте (стримеры) применяются в компьютерах с начала 50-х годов. Сравнительные характеристики различных стримеров представлены в табл. 16.4.

Для внутренних накопителей всех типов используют интерфейсы SCSI, EIDE/ATA или SerialATA, а для внешних - SCSI, IEEE 1284 (иногда), USB и FireWire.

Накопители с оптическим носителем

Под накопителем для оптических носителей чаще всего подразумевают привод для компакт-дисков (CD). Компакт-диск был создан в 1979 году компаниями Philips и Sony. В Philips разработали общий процесс производства, основываясь на своей более ранней технологии лазерных дисков, а Sony выработала методику коррекции ошибок.

Компакт-диски изготавливаются из поликарбоната толщиной 1,2 мм, покрытого тончайшим слоем алюминия с защитным слоем из лака, на котором обычно печатается этикетка. Компакт-диски диаметром 12 см вмещают до 650 Мбайт информации (74 мин. аудио). Используются также CD объемом 700 Мбайт (80 мин. аудио), 800 Мбайт (90 мин. аудио) и более, однако они могут не читаться на некоторых приводах компакт-дисков. Бывают также мини-CD диаметром 8 см, вмещающие 140 Мбайт данных (21 мин. аудио).

Информация на диске хранится в виде спиральной дорожки так называемых питов (углублений), выдавленных на поликарбонатном слое. Каждый пит имеет примерно 125 нм в глубину, 500 нм в ширину и длину от 850 нм до 3,2 мкм. Расстояние между соседними дорожками спирали - 1,5 мкм. Данные с диска читаются при помощи лазерного луча с длиной волны 780 нм, который просвечивает поликарбонатный слой, отражается от алюминиевого и считывается фотодиодом. Луч лазера образует на отражающем слое пятно диаметром примерно 1,5 мкм. Т.к. диск читается с нижней стороны, каждый пит выглядит для лазера как возвышение. Места, где такие возвышения отсутствуют, называются площадками. Свет от лазера, попадающий на площадку, отражается и улавливается фотодиодом. Если же свет попадает на возвышение, он испытывает интерференцию со светом, отраженным от площадки вокруг возвышения, и не отражается. Так происходит потому, что высота каждого возвышения равняется четверти длины волны света лазера, что приводит к разнице в фазах в половину длины волны между светом, отраженным от площадки, и светом, отраженным от возвышения. Таким образом, фиксируются логические "1" и "0" (рис. 16.4), соответствующие исходным данным в коде EFM^{17EFM(Eight-to-Fourteen Modulation) - Модуляция 8-в-14: Вариант RLL, в котором каждая 8-битная комбинация переводится в 14-битную так, чтобы единицы были отделены друг от друга последовательностью от 2 до 10 нулей. Это необходимо для обеспечения самосинхронизации сервопривода, т.к. логическая единица кодируется переходом с пита на площадку или наоборот. После каждой 14-битной последовательности добавляется 3 бита "слипания" также для обеспечения самосинхронизации.} Для коррекции ошибок используется алгоритм CIRC^{18CIRC(Cross-Interleaved Reed-Solomon Coding) - перемежающийся код Рида-Соломона. Алгоритм позволяет корректировать блочные ошибки до 4000 бит (на компакт-диске это соответствует 2,5 мм по длине). Блок данных (24 бита) представляется коэффициентами некоторого полинома. В закодированный пакет помещаются значения полинома, посчитанные для различных точек (32 бита). Количество точек превышает степень полинома, т.е. полином переопределен, поэтому он может быть восстановлен по части этих точек.}.

Рис. 16.4. Кодирование информации на CD с использованием EFM

Различают следующие виды компакт-дисков: CD-ROM, CD-R и CD-RW. Обычные компакт-диски (CD-ROM) штампуются на заводах при помощи стеклянной матрицы с вытравленным на ней рисунком дорожек, которой прессуется металлический слой диска.

CD-R - это однократно записываемый компакт-диск. Он состоит из пластиковой основы и записывающего слоя, представляющего собой слой органического красителя (цианин, металлизированный AZO или фталоцианин) и отражающий слой из серебра, его сплава или золота. Отражающий слой покрывается защитным лаком. Чистый CD-R не является полностью пустым, на нем имеется служебная дорожка с сервометками ATIP^{19ATIP (Absolute Time In Pregroove) - абсолютное время в служебной дорожке.}. Эта служебная дорожка нужна для системы слежения, которая удерживает луч лазера при записи на дорожке и следит за скоростью записи. Помимо функций синхронизации служебная дорожка также содержит информацию об изготовителе этого диска, сведения о материале записывающего слоя, длине дорожки для записи и т.п. Служебная дорожка не разрушается при записи данных на диск. При записи CD-R данные наносятся на диск лучом лазера повышенной мощности, чтобы физически "прожечь" органический краситель записывающего слоя. Когда краситель нагревается выше определенной температуры, он разрушается и меняет отражательные свойства (темнеет). Управляя мощностью лазера, на записывающем слое можно получить чередование темных и светлых пятен, которые при чтении интерпретируются как питы. При чтении лазер имеет значительно меньшую мощность, чем при записи, и не разрушает краситель записывающего слоя. Отраженный от слоя серебра луч попадает на фотодиод; если же луч падает на темный ("прожженный") участок, то почти не проходит через него до отражающего слоя и фотодиод регистрирует ослабление светового потока. Прожигание записывающего слоя является необратимым химическим процессом, т.е. однократным, поэтому записанную на CD-R информацию нельзя стереть.

CD-RW - это перезаписываемый компакт-диск. Технология CD-RW была представлена в 1997 году. В CD-RW записывающий слой состоит из материала с фазовым переходом (обычно сплав AgInSbTe). При помощи ИК-лазера кристаллические участки записывающего слоя быстро нагреваются и переходят в аморфное состояние или трансформируются при более низкой температуре и более длительном нагреве обратно в кристаллическое состояние. Различие в коэффициентах отражения аморфных и кристаллических областей интерпретируется как питы и площадки. Однако уровень сигналов в таком случае получается ниже, чем декларируется стандартами CD-ROM и CD-R, поэтому компакт-диски CD-RW могут не читаться в приводах, выпущенных до 1997 г.

Основным стандартом, который определяет логический и файловый форматы записи компакт-дисков, является ISO 9660 (файловая система компакт-дисков ). Ряд других стандартов, касающихся компакт-дисков, изложен в документах, называемых "цветными книгами":

• "Red Book" ("Красная книга") описывает аудио-CD (CD Digital Audio). В соответствии с этой спецификацией на компакт-диск можно записывать звук в два канала с 16-битной импульсно-кодовой модуляцией (PCM) и частотой дискретизации 44,1 кГц. Спецификация была предложена фирмами Philips и Sony в 1980 г. и позднее была утверждена в качестве стандарта ISO/IEC 60908.
• "Yellow Book" ("Желтая Книга") описывает формат CD-ROM, утверждена в качестве стандартов IEC/ISO 10149 и ECMA^{20ECMA (European Computer Manufacturers' Association) - Европейская ассоциация производителей компьютеров.} 130.
• "Orange Book" ("Оранжевая книга") представляет собой серию технических стандартов, связанных с CD-R и CD-RW.
• "White Book" ("Белая книга") была выпущена в 1987 г. фирмами Philips, Matsushita и JVC и описывает формат Video-CD: файловая система, совместимая с ISO 9660, двухканальный (стерео) аудиопоток 224 кбит/с с частотой дискретизации 44,1 кГц в формате MPEG 1 Layer 2, видеопоток 352х240 30 кадр/с (NTSC) или 352x288 25 кадр/с (PAL) в формате MPEG 1 (примерно 1,13 Мбит/с).

В сентябре 1995 г. группой компаний (Philips, Sony, Toshiba и др.), позднее образовавших DVD Forum, была предложена спецификация оптических дисков высокой плотности - DVD^{21Изначально аббревиатура DVD расшифровывалась как "Digital Versatile Disc" - многоцелевой цифровой диск. Однако некоторые члены DVD Forum полагают, что аббревиатуру следует расшифровывать как "Digital Video Disc" - цифровой видеодиск, т.к. большинство потребителей считают именно так. К консенсусу не пришли до сих пор, поэтому сегодня DVD официально вообще никак не расшифровывается.}. DVD представляет собой две склеенных пластины из поликарбоната толщиной по 0,6 мм, покрытых отражающим слоем из алюминия или золота. Один слой способен хранить 4,38 Гбайт информации. Для чтения DVD используется лазер с длиной волны 650 нм и большей, чем у лазеров для CD, апертурой, что позволяет значительно увеличить плотность записи. Кроме того, в DVD используется более эффективные алгоритмы кодирования ( EFM-Plus^{22Схема кодирования EFM-Plus основана на EFM, но вместо таблицы трансляции 8-в-14 плюс 3 бита "слипания" используется конечный автомат, переводящий 8 бит в 16 без битов "слипания".} ) и коррекции ошибок ( RS-PC^{23RS-PC (Reed-Solomon Product Code) - умножающий код Рида-Соломона.} ).

DVD по структуре данных бывают трех типов: DVD-Video, DVD-Audio и DVD-Data. В отличие от CD, все три типа DVD хранят данные в формате файловой системе UDF.

Различают следующие типы носителей DVD:

• DVD-ROM - штампованные на заводе диски;
• DVD-R/RW (DL) - однократно (RW - многократно) записываемые диски, стандартизованные DVD Forum (Double Layer - двухслойные);
• DVD-RAM - многократно записываемые диски с произвольным доступом (RAM - Random Access Memory);
• DVD+R/RW (DL) - однократно (RW - многократно) записываемые диски, предложенные DVD+RW Alliance (Double Layer - двухслойные).

Стандарт записи DVD-R/RW был разработан консорциумом DVD Forum как официальная спецификация (пере)записываемых дисков. Однако цена лицензии на эту технологию была слишком высока, и поэтому несколько производителей пишущих приводов и носителей для записи объединились в DVD+RW Alliance, который и разработал стандарт DVD+R/RW. Стоимость лицензии на эту спецификацию ниже. Стандарты записи DVD+R/RW и DVDR/RW частично совместимы. Все приводы для DVD могут читать оба формата дисков, и большинство пишущих приводов также могут записывать диски обеих технологий.

DVD-RAM по технологии ближе к винчестерам, чем к компакт-дискам, т.к. вместо одной спиральной дорожки содержит множество концентрических дорожек. Технология произвольного доступа обеспечивает работу с DVD-RAM как с обычным сменным накопителем (возможна произвольная запись, как на дискету или винчестер, без использования специального ПО).

По объему выделяют следующие категории DVD-дисков:

• DVD-5 - однослойные односторонние 4,7 гигабайт (4,38 Гбайт);
• DVD-9 - двухслойные односторонние 8,5 гигабайт (7,92 Гбайт);
• DVD-10 - однослойные двухсторонние 9,4 гигабайт (8,75 Гбайт);
• DVD-18 - двухслойные двухсторонние 17,1 гигабайт (15,9 Гбайт).

Скорость CD-приводов указывается в единицах, кратных 150 Кбайт/с (1х), а DVD-приводов - в единицах, кратных 1352 Кбайт/с (что соответствует 9х для CD-привода). Обычно внутренние CD- и DVD-приводы подключаются через интерфейс EIDE/ATA или SCSI, а внешние - через SCSI, USB или FireWire.

Вопросы для самоконтроля

1. Дайте классификацию периферийных устройств.
2. Сформулируйте основные принципы работы устройств ввода.
3. Перечислите классы сканеров.
4. Назовите типы дисплеев, физические принципы формирования изображения.
5. Сравните принтеры различных технологий.
6. Назовите виды внешней памяти ПК.
7. Какие существуют способы записи информации на магнитные носители?
8. Объясните, в чем преимущества RLL 2,7 перед MFM.
9. Охарактеризуйте разновидности оптических дисков.
10. Опишите оптические способы записи информации.