Учебно-методические материалы по медицинской информатике и статистике с сайта 1mgmu.com

Это - учебно-методические материалы по медицинской информатике и статистике с сайта 1mgmu.com

6.5.2 Компьютер. Железо и программы. Внешние запоминающие устройства

В принципе, компьютер, состоящий из центрального процессора, оперативной памяти и устройств ввода и вывода типа монитора и клавиатуры не просто может существовать: некоторые первые компьютеры имели именно такую конфигурацию. Один из моих знакомых, имевших «счастье» поработать на таком агрегате, вспоминал о тех днях с содроганием. Обычный рабочий день проходил так:
1. Включение компьютера;
2. Ввод (вручную) с клавиатуры программы в оперативную память;
3. Ввод (вручную) тестовых данных;
4. Счет, распечатка данных, сравнение результатов с эталонными;
5. Ввод «рабочих» данных, которые нужно обсчитать;
6. Запуск на счет;
7. К этому моменту обычно либо у компьютера что-то отваливалось, либо просто приходил специальный человек и рубильником обесточивал помещение в связи с окончанием рабочего времени.
Основная «прелесть» состояла в том, что на следующий день все приходилось начинать заново в связи с тем, что при отключении питания все содержимое оперативной памяти стирается.
Для того, чтобы программы и данные сохранялись, используют группу устройств под общим названием «внешние запоминающие устройства». «внешними» они являются только по отношению к центральному ядру из процессора и оперативной памяти, конструктивно они могут находиться и внутри системного блока.
Вначале для записи использовались механические устройства с носителями в виде бумажных лент или карт (перфолент или перфокарт), на которых в определенных местах могли наноситься отверстия. Механические счетные устройства с данными, хранящимися на перфокартах, стали использоваться еще в конце 19 века. Разработал их Холлерит; первоначально IBM выпускал именно такие устройства, а уже во второй половине 20 века переключился на электронно-вычислительные машины.
. Скорость считывания таких данных составляла лишь несколько байтов в секунду, текст программы в пятьсот строк занимал стопку перфокарт высотой сантиметров в тридцать и весом за килограмм, перфокарты и перфоленты сильно изнашивались при вводе и требовали частого копирования.
Аналогичные проблемы были и у оптикомеханических системах ввода, в которых носителем были фотопленки. Имеется апокриф, подтверждения или опровержения которого мне не удалось найти, что легендарные слова «протяжка один» и «протяжка два» на записях запусков первых советских космонавтов – команды на считывание программ с фотопленки.
На смену механическим системам пришли значительно более быстрые, емкие и надежные магнитные системы записи, в которых носителем являются пленки или пластины с ферромагнитной поверхностью, а для записи бита используется не наличие или отсутствие дырки в определенном месте, а тем или иным образом намагниченный участок поверхности. Для записи значения бита обычно используется не просто наличие или отсутствие намагниченности определенного участка поверхности, а намагничивание одним из двух способов. Реализация их может быть различна. Так, в последнее время используются жесткие магнитные диски, в которых используется изменение величины намагничивания не вдоль поверхности пластины, а вглубь ферромагнитного слоя. Для считывания и записи используется маленький электромагнит, который движется вдоль ферромагнитного слоя.
Монополия электромагнитных систем записи была нарушена в районе 1990 года оптическими системами, в которых кодирование бита происходит наличием или отсутствием темных точек (точнее, одиночных и сдвоенных точек) на поверхности пластины, а считывание происходит при помощи лазерного луча и фотоэлемента. В последние годы активно используется еще один тип внешней памяти – на разновидности оперативной памяти, в которой при отсутствии питания содержимое не стирается.
Самым первым внешним запоминающим устройством, использовавшимся в персональных компьютерах, были накопители на гибких магнитных дисках (дискетах) восьмидюймового размера, но широко стали использоваться более компактные устройства с дискетами пятидюймового диаметра (точнее, 5 и 1/4 дюйма). В них данные записывались на гибкую круглую пластинку с ферромагнитной поверхностью. В середине пластинки имелась круглая сквозная дыра, в которую вставлялся шпиндель устройства считывания. Пластинка была помещена в квадратных защитный пластиковый конверт с большим овальным отверстием, через который осуществлялся доступ головок с электромагнитами к рабочей поверхности. В защитном конверте имелась также небольшое круглое окошко, используемое для поиска начального положения крутящейся рабочей пластинки. Для этого в ней просто в некотором месте была просверлена сквозная дырка, и индикация начального положения производилась при помощи пары из источника света и фотоэлемента.
Запись данных осуществлялась на круговых концентрических дорожках (в отличии от виниловых пластинок или CD-дисков, в которых дорожка одна, но скрученная в спираль).
Перед подготовкой записи дискета должна быть отформатирована (в MS-DOS или Windows - программой FORMAT), в процессе чего дорожки для записи намагничивались и заполнялись нулями, а на первые дорожки записывалась управляющая информация о метке (имени) дискеты, количестве дорожек и секторов и т.д.
Каждая дорожка для записи разбивалась на отдельные части (сектора). Между секторами записывалась служебная информация, не считываемая при работе с данными, но нужная устройству для правильного считывания и записи. Эти возможности используют некоторые системы защиты программ от незаконного копирования, которые хранят идентификационную информацию не в секторах, а в служебных областях дискеты, которая не копируется при дублировании дискеты обычными средствами.
Первая центральная дорожка содержит информацию о формате дискеты, далее записана информация о том, какие части дискеты отмечены как сбойные, и BOOT – программа, которая при запуске ищет на дискете файлы с операционной системой, загружает из в оперативную память и передает им управление, а если таких файлов не – выдает на дисплей информацию о том, что устройство, с которого была произведена попытка загрузиться, не является системным. Такая организация загрузки оказалась не совсем удобной – наличие в BOOT исполняемого кода сделало его одним из любимых мест для передачи компьютерных вирусов.
Далее часть дискеты отведена под FAT – таблицу с указанием имен файлов и директорий, их параметров и места расположения. Для повышения надежности хранится две копии FAT. Большая часть дискеты предназначена для хранения данных.
Для сокращения длины адресов области под файлы отводятся не как последовательности байтов, а более крупными областями, называемыми кластерами. Из-за этого файлы обычно занимают на диске несколько больше места, чем их собственная длина. Уменьшение размера кластера при форматировании делает разницу между полезной длиной файлов и фактически занимаемым им местом меньше, но «загружает» FAT.
Все байты на всех секторах отформатированной дискеты имеют какие-то значения. Даже если на дискете и нет ни одного файла, то вся область данных все равно целиком записана, а отведен тот или иной кластер под какой-то файл, записано в FAT.
При стирании файла его содержимое не уничтожается. Фактически лишь в FAT стирается первая буква его имени и делается отметка, что кластеры, ранее отводимые под него, являются свободными и могут быть отведены под другие файлы. Поэтому удаленный файл может быть восстановлен при помощи специальных сервисных программ, однако чем больше с дискетой работали, тем больше вероятность того, что на это место были размещены новые файлы, из-за чего восстановление невозможно.
Так как удаленные файлы могут быть не в конце дискеты, а в его середине, то новые файлы могут состоять не из одной последовательной области, а из нескольких кусков в разных частях. По мере работы степень фрагментированности файлов увеличивается.
Для дискет фрагментированность не слишком существенна, но для устройств большого объема это снижает скорость считывания и записи и увеличивает физический износ. Поэтому имеются программы дефрагментации, переписывающие файлы на устройстве едиными кусками.
У первого варианта пятидюймовых дискет с записью на обеих сторонах пластины емкость области, отводимой под запись содержимого файлов, составляла 360 Кбайт; в следующем варианте емкость была повышена до 1,2 Мбайт. Помимо стандартных вариантов емкости можно было за счет использования специальных программ нестандартного форматирования менять количество секторов и дорожек, повышая емкость по сравнению с номинальной, но опыт показал, что реального выигрыша это не дает – повышение емкости снижает надежность.
В конце восьмидесятых появился трехдюймовый формат (точнее, 3 и 1/2 дюйма) дискет с емкостью 1,44М. Помимо повышения емкости была усовершенствована конструкция самой дискеты – она стала достаточно толстой и жесткой (из-за чего термин «гибкий диск» стал анахронизмом), а защитный чехол стал без открытых вырезов – доступ к рабочей части дискеты прикрывался защитным кожухом, сдвигавшимся в дисководе вбок. Уменьшение диаметра дискеты позволило сильно уменьшить размеры дисковода. До сих пор стандартные размеры отсеков в системном блоке компьютера и размеры большинства устройств делаются под стандартные размеры накопителей на пятидюймовых и трехдюймовых дискетах.
Трехдюймовые дискеты стали более надежным средством хранения, однако и при их использовании сбои и потери данных были постоянной реальностью, важные данные нужно было сохранять в нескольких экземплярах. Скорость считывания и записи по прежнему оставалась достаточно медленной – порядка мегабайта в минуту. Однако несомненным удобством являлась низкая стоимость дискет, емкость, вполне достаточная для работы с текстами и то, что они – съемные носители. Поэтому вплоть до недавнего времени они были основным способом переноски с компьютера на компьютер и резервного копирования данных пользователя.
Хотя вариант комплектации только с двумя дисководами вначале иногда и использовался, но малый размер и низкая скорость работы дисководов сильно ограничивала производительность персонального компьютера. Основным внешним запоминающим устройством для постоянного хранения программ и данных стал накопитель на жестком магнитном диске, или винчестер (прижившееся жаргонное название, возникшее из-за того, что первое коммерчески продаваемый вариант имел такую же маркировку, как популярный вариант винчестеров).
В нем жесткие пластины с рабочей магнитной поверхностью насажены на ось и вращаются с большой скоростью. Обычно на ось насажены не одна, а несколько параллельных пластин. Для каждой рабочей стороны пластины используются свои головки считывания/записи. Самая верхняя и нижняя поверхности пакета пластин иногда делаются нерабочими.
Для уменьшения механических перемещений головок дорожки на разных рабочих поверхностях размечаются параллельно друг другу, а данные вначале записываются на одну дорожку, а после ее исчерпания – на параллельную дорожку на другой рабочей поверхности. Набор параллельных дорожек называют цилиндром. По исчерпании свободного места на цилиндре начинается запись на соседнем цилиндре.
Хотя диаметр пластин и меньше, чем у дискет, высокая плотность записи делает его несравненно более емким. Скорость чтения и записи последовательно записанных байтов сопоставима со скоростью обработки данных центральным процессором.
Емкость и производительность винчестеров повышается даже еще быстрее, чем у других компонентов персонального компьютера. Так, в начале девяностых годов можно было да 200$ купить винчестер емкостью 40 мегабайт. На момент написания этого текста в 2006 году за 100$ можно купить винчестер емкостью 100 гигабайт. Очень сильно повысилась и надежность винчестеров.
У накопителей на жестких и гибких дисках сильно различается скорость считывания/записи длинных последовательных наборов и небольших записанных «вразнобой» последовательностей, так как в этом случае расходуется дополнительное время на то, чтобы перевести головки к другой дорожке и подождать, пока диск повернется в нужное положение. Для уменьшения этого времени в последнее время винчестеры снабжают внутренней кэш-памятью.
Жесткий диск – устройство быстрое, емкое и достаточно надежное, однако в отличие от гибкого диска его смена – достаточно серьезная процедура. Даже если есть возможность извлечь его без выключения компьютера, при установке другого диска через стандартный интерфейс ATA требуется перезагрузить операционную систему. Для обеспечения возможности «горячей» смены винчестера без перезагрузки имеется винчестеры с интерфейсом SCSI, которые присоединяются не прямо к материнской плате, а к плате управления, вставленной в слот расширения на материнской плате. Винчестеры с интерфейсом SCSI заметно дороже, их использование оправдано в системах, от которых требуется повышенная надежность, в частности многих медицинских приложениях.
Другой вариант повышения надежности системы винчестеров, реализуемый в последнее время в некоторых персональных компьютерах – массивы RAID. В самом простом варианте RAID 0 используются несколько одинаковых винчестеров с идентичным содержимым. Если один из них начинает сбоить, то система переключается на работу с другим, а неисправный винчестер может быть заменен без перезагрузки компьютера. В более сложных вариантах RAID наборы данных могут не дублироваться, а располагаться сразу на нескольких винчестерах.
На уровне логической организации хранения данных винчестер может быть «разделен» на несколько разных логических устройств, с которыми программы работают как с независимыми винчестерами меньшего объема. В начальных дорожках винчестера записан MASTER BOOT, в котором указано, на сколько логических устройств и какого размера диск разбит. Далее в начале каждого раздела имеется свой BOOT, за которым начинаются области с описанием файловой структуры и содержимым файлов. При этом разные логические разделы могут иметь разные файловые системы, в том числе и отличающиеся от описанной выше FAT.
Разные разделы винчестера могут содержать разные операционные системы. Обычно в MASTER BOOT в явном виде указано, какой винчестер и какой раздел является логическим, то есть какому BOOT передавать управление для загрузки операционной системы. Однако есть возможность использовать менеджер загрузки, который спрашивает пользователя в момент загрузки компьютера, какой вариант операционной системы нужно выбрать.
Помимо возможности использовать разные операционные системы или файловые системы имелось еще два резона разбивать винчестер на несколько логических разделов:
1. При серьезном сбое в файловой системе бывает, что с одного раздела данные пропадают, а с другого – нет. Поэтому копию важных данных лучше хранить в другом логическом разделе (но надежнее – на другом винчестере);
2. У многих сервисных программ и версий операционных систем имеется максимальный размер раздела, с которым они могут работать. Если раздел на винчестере имеет больший размер, то лишнюю часть они просто «не видят».
Разбить винчестер на логические разделы можно при помощи программы FDISK, входящей в состав операционных систем MS-DOS и Windows. Это – серьезная манипуляция, проведение которой обычно уничтожает все содержимое винчестера.
Помимо магнитных дисков для записи могут использоваться и магнитные ленты. Так как площадь поверхности магнитной ленты значительно больше, чем у диска, то емкость таких устройств значительно выше. Однако для начала считывания или записи нужно предварительно перемотать ленту к нужной позиции. Поэтому в современных персональных компьютерах системы записи на магнитную ленту используются в основном для резервного копирования данных. Например, на ленту копируется «образ» винчестера. Если в процессе работы начитаются сбои, то можно загрузить с ленты последнее «рабочее» состояние винчестера.
За последние десять лет стандартным устройством стал также оптический накопитель. В отличие от накопителей на гибких и жестких магнитных дисках эта технология не является изначально компьютерной – первоначально она применялась в бытовой звуковоспроизводящей технике как замена граммофонных пластинок. Но, так как звук кодировался цифровым образом, то система кодировки набором темных точек на пластине со считыванием при помощи лазера можно было использовать для передачи любой информации.
На односторонний съемный CD-диск помещалась несколько более 600 Мегабайт. Скорость считывания данных с CD-диска, также как и емкость, была промежуточной между дискетой и винчестером. Вначале она составляла около 10 Мбайт в минуту и соответствовала «музыкальному стандарту» - примерно час музыки на одном диске, потом поднялась в несколько десятков раз. Основным недостатком таких накопителей было то, что они были устройством только для чтения. Для записи дисков использовались специальные (и дорогие) пишущие устройства с позолоченными заготовками, а размножение дисков производили в типографиях. Поэтому кроме прослушивания записанной ранее музыки CD-диски использовались в основном для хранения дистрибутивов программ, так как к тому времени программы стали занимать много место и на разумное количество дискет не влезали (Она из околокомпьютерных легенд, проверить или опровергнуть которую в не могу, гласит, что идея использовать музыкальные CD-диски в персональных компьютерах принадлежит человеку, который перед этим безуспешно пытался разработать автоматизированное устройство подачи дискет в накопитель для установки программ с многотомных дистрибутивов).
На рабочей поверхности пластикового диска в процессе эксплуатации неизбежно появляются царапины, разрушающие часть слоя с информацией, записанной прожженными точками. Для того чтобы можно было продолжить работу с такими частично поврежденными дисками, при записи используются информационно избыточные коды. Поэтому невосстановимая потеря информации происходит только при достаточно массивных повреждениях.
Надежность записи на оптическом диске также может снизиться при слишком быстрой записи, особенно на болванке низкого качества. Сейчас при записи оптических CD и DVD-дисков можно пользоваться специальными программами записи, которые позволяют выбирать скорость записи, а также анализировать качество носителя.
К концу второго тысячелетия устройства для записи сильно подешевели и пишущие накопители стали массовым явлением. Удалось также сделать перезаписываемые CD-диски, с которых можно стирать старое содержимое и записывать на это место новое.
Так как изначально CD-диски предназначались только для записи, а пишущие накопители появились не так давно, то с их записью до сих пор имеются некоторые проблемы. В частности, вначале диски предназначались для одномоментной записи целиком. Для реализации возможности дозаписи диска порциями пришлось несколько «подправить» стандарты кодирования содержимого диска.
Вплоть до Windows XP для записи дисков нужны были специальные программы. Сама Windows XP уже работает с CD-дисками вроде бы как с остальными устройствами, но запись файлов осуществляется в два приема – вначале данные вроде бы копируются на диск, но на самом деле только формируются в виде «образа диска», а реально не записываются, и только потом по отдельной команде диск начинает записываться.
Программы записи на диск имеют дополнительные настройки. В частности, если диски или дисковод не самого высокого качества, то можно понизить скорость записи, сделав ее менее сбойной. Однако опыт показывает, что диски, для записи «порций» которого используют разные программы записи, плохо читаются.
Развитием технологии оптических дисков стали DVD-диски, имеющие большую плотность записи, для считывания и записи которых используется лазер с меньшей длиной волны. Размеры диска при этом не изменились, что дает возможность использовать комбинированные устройства, работающие как с CD, так и с DVD. Емкость DVD-диска – около 5 Гб., скорость чтения и записи несколько выше, чем у CD.
Для дальнейшего повышения емкости отрабатываются следующие направления:
1. Запись в несколько слоев;
2. Переход на новые стандарты плотности записи. Сейчас имеется два конкурирующих формата DVD высокой плотности.
Еще один вариант хранения данных – так называемая флэш-память. В ней используется вариант оперативной памяти, не «забывающей» данные при отсутствии питания. Такой вариант оперативной памяти значительно медленнее винчестеров – запись и чтение происходит со скоростью порядка Мбайта в секунду. Флэш-память уступает винчестерам также по емкости (сейчас стандартная емкость карты порядка 1 Гбайта) и долговечности работы – расчетное число циклов перезаписи данных в ней значительно меньше, чем у винчестеров. Однако она значительно легче и потребляет значительно меньше энергии, поэтому может использоваться вместо винчестера в небольших носимых системах.
Для современных офисных компьютеров сейчас стандартна следующая комплектация:
1. Винчестер;
2. Накопитель CD/DVD для установки программ, прослушивания музыки и просмотра фильмов, а также резервного копирования и данных или их передачи;
3. Флэш-память для оперативного копирования и переноса данных с одного компьютера на другой.
Накопители на дискетах используются уже в основном для обеспечения совместимости со старыми моделями.
От офисных компьютеров не требуется максимально высокая скорость и надежность и способность работы в экстремальных условиях. Для неофисных вариантов может быть разумно использование других типов внешних запоминающих устройств.

Оглавление раздела нижнего уровня
Оглавление раздела верхнего уровня
ОГЛАВЛЕНИЕ ОГЛАВЛЕНИЙ

НА ГЛАВНУЮ СТРАНИЦУ САЙТА

Материалы используются на Едином Образовательном Пространстве Первого московского государственного медуниверситета им. И.М. Сеченова