Устройства массовой памяти на сменных носителях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция: Устройства массовой памяти на сменных носителях

Вопросы

1. Магнитооптические диски

2. Оптические диски CD, DVD, PD

3. Флэш-память

К устройствам массовой памяти на сменных носителях можно отнести устройства, имеющие емкость, значительно превышающую емкость обычных дискет. Они предназначены для архивации данных и обмена информации большого объема. По своему положению эти устройства выполняются внутренними, внешними, стационарными и портативными. Эти устройства подключаются к компьютеру с помощью следующих интерфейсов: АТА, SCSI, USB

Наибольшей популярностью пользуются в настоящее время CD, DVD и магнитооптические диски.

1. Магнитооптические диски

В устройствах с магнитооптическими дисками МОД в процессе записи и чтения используется лазер. Структура мод диска приведена на рис.11.1.

Расстояние между треками находится в пределах 1 - 0,3 мкм.

Принципы записи и чтения своеобразные:

Запись.

Осуществляется термомагнитным способом. Магнитное поле головки способно перемагнитить только микроскопическую зону, разогретую лазерным лучом до температуры выше точки Кюри (200оС). Зона, вышедшая из под луча, запоминает полученное состояние намагниченности.

В магнитооптике используют двухпроходную- трехпроходную запись:

1 -й проход диска под головкой :

Сектор стирают. Головка создает постоянное магнитное поле, а лазер включается на полную мощность при проходе под ним сектора(ов). В результате все засвеченные области данных переводятся в одно и тоже состояние намагниченности.

й проход под головкой:

Непосредственное выполнение записи. Для этого при записи 1 направление магнитного поля меняется на противоположно и над этими точками формируется мощный импульс лазера.

3-й проход под головкой:

Проверяется считывание записанной информации - верификация.

В принципе возможно и однопроходная запись, при изменении (модуляции) магнитного поля над каждой записываемой областью диска, но из-за магнитной индукции при больших скоростях записи требуется большая энергия на перемагничивание. Однопроходная технология используется при аудиозаписи, где не требуется высокая скорость записи.

Считывание.

Считывание информации также выполняется с помощью лазера и основано на эффекте Керра - изменение поляризации света под действием магнитного поля : на фотоприемник попадает отраженный поляризованный луч, интенсивность которого (малая или большая по амплитуде) изменена в соответствии с записью на магнитном слое.

Размер сектора МОД может быть стандартным (512байт), а может увеличенным (2048 байт). При больших секторах записи снижается доля служебной информации. Количество секторов на треке - переменно и здесь применяется зонная запись. При этом в каждой зоне имеются служебные и резервные области, позволяющие переназначать сектора для пользователя.

Магнитоптические диски имеют следующие размеры:

5,25” (двухсторонние) - 650 Мб, 1,3Гб, 2,6 Гб, 4,6Гб;

3,5”(односторонние) - 128, 230, 540, 640 Мб, 1,3 Гб.

Устройства и диски обладают обратной совместимостью: устройства большой емкости могут работать с устройствами

Форматирование.

Форматирование выполняется специальной утилитой, входящей в комплект драйверов устройства. Низкоуровневое форматирование производится в процессе производства, которое в дальнейшем может выполнить и пользователь. При низкоуровневом форматировании задается размер сектора. Форматирование верхнего уровня выполняется под конкретную файловую систему и может выполнятся на уровне дискет или на уровне винчестера.

В первом случае диск представляется в виде большой дискеты и в его нулевом логическом блоке содержится загрузчик без таблицы носителя. Дискета подразумевает сменяемость , но работает с драйвером уже загруженной операционной системы.

Во втором случае диск начинается с таблицы разделов и для системы выглядит как жесткий диск, который может обслуживаться BIOS БЕЗ ВСЯКИХ ЗАГРУЖАЕМЫХ ДРАЙВЕРОВ без учета смены носителя. И поэтому некорректная смена носителя может привести к потери данных, когда после смены носителя ОС не обновляет таблицы размещения файлов.

флэш память диск лазер

2. Оптические диски CD, DVD, PD

Оптические диски CD, CD-R и CD-RW имеют прозрачную поликарбонатную (пластиковую) основу, над которой расположен слой, хранящий информацию, защищенный сверху лаком. Хранящий слой расположен ближе всего к верхней стороне

Принцип хранения информации основан на изменении оптических свойств поверхности носителя (в основном степени отражения). CD и DVD диски диаметром 120 мм и толщиной 1,2 мм имеют одну спиральную дорожку, начинающуюся с внутренней стороны диска. Эта спираль имеет 22188 витков и длину более 5 км.

Область с диаметром 46-50 мм - является вводной.

Область с диаметром 116-117 мм - является выводной.

Область меду этими зонами является программной.

Поперечный шаг витков спирали равен 1,6 мкм, при5этом ширина дорожки 0,5мкм, а глубина ямок 0,125 мкм.

Края ямок соответствуют двоичным единицам канальной информации, а участки без изменения глубины соответствуют двоичным нулям (как ямка, так и равнина). Поэтому число нулевых битов определяется длиной этого (неизменяемого участка). Длина ямок находится в пределах 0,83- 3,56 мкм.

Для считывания информации применяется инфракрасный лазер с длинной волны в воздухе 780 нм. Глубина ямок равна ј длины волны луча в прозрачном материале диска. Поэтому луч отраженный от дна ямки возвращается в приемник в противофазе с лучам отраженным от поверхности, рис 11.2.

При достижении приемника эти лучи 1 и 2 взаимоуничтожаются, что повышает контрастность восприятия ямок.

Во вводной зоне размещена таблица содержимого, в которой описаны координаты каждого трека и выводной зоны Всего на диске может быть до 99 треков. Внутри каждого трека могут быть расставлены индексы, маркирующие точки в записи, используемые для быстрого нахождения требуемой записи. Кроме того, на диске имеются служебные субканалы, используемые для навигации по диску и хранения краткой информации о содержимом диска и треков. Информационная емкость стандартного CD-ROM диска составляет 650 Мбайт. Существуют следующие типы дисков:

CD-R - диски записываемые пользователем;

CD-WROM - диски с однократной записью и многократным чтением;

CD-WO - диски с однократной записью;

CD-RW - перезаписываемые диски.

Существуют и оптические диски PD (Phase change Disk) допускающие многократную перезапись, но не совместимые с приводами CD-ROM.

Особенности конструкции различных типов дисков

Однократно записываемые диски CD-R имеют покрывающий основу слой органического красителя, поверх которого нанесено светоотражающее напыление (золото или сплав серебряного цвета). При записи выжигаются фрагменты красителя, в результате отраженный луч также будет промодулирован по интенсивности.

Перезаписываемые диски CD-RW, они же CD-E, под отражающим слоем имеют регистрирующий слой, который может менять свое состояние между поликристаллическим и аморфным. Прозрачность слоя зависит от его состояния. При перезаписи состояние отдельных участков изменяется: в зависимости от степени нагрева участка лучом записывающего лазера при остывании фиксируется то или иное его состояние. Диски CD-RW обладают существенно меньшей отражающей способностью до 70% от дисков CD-R. Перезаписываемые диски CD-RW по сравнению с CD и CD-R при считывании дают меньшую амплитуду сигнала. По этой причине приводы без автоматической регулировки чувствительности приемника (старые модели, до 1998 г., включая ряд моделей 8х) не могут считывать диски CD-RW. На способность привода читать CD-RW указывает логотип «MultiRead».

Диски DVD

Название DVD поначалу расшифровывалось как Digital Video Disk -- диск для цифровой видеозаписи, сейчас же подразумевается иное -- Digital Versatile Disk -- универсальный цифровой диск. В DVD нашли свое развитие принципы CD, направленные на повышение плотности хранения и скорости передачи информации. Эти диски имеют те же внешние размеры, что и CD (диаметр 120 мм и толщину 1,2 мм), однако представляют собой слоеную конструкцию, состоящую из двух пластин. Для повышения емкости ширина трека и продольный размер битовой ячейки уменьшены примерно вдвое, снижены издержки избыточности кодов коррекции ошибок. Кроме того, могут использоваться две стороны диска, а на каждой стороне информация может храниться в двух слоях, таким образом, один диск может иметь уже четыре рабочих плоскости. Для считывания DVD требуется лазер с длиной волны 635/650 нм (для CD используется длина волны 780 нм). Изменена система канального кодирования (применяются 16-битные коды) и система избыточного кодирования.

Каждая пластина DVD может быть как однослойной (аналогичной по конструкции диску CD), так и двухслойной. В двухслойной пластине «ямки» расположены в двух плоскостях, нижний слой сверху покрыт полупрозрачной полуотражающей пленкой, а верхний -- отражающей (рис. 11.3). Какой из слоев считывается, определяется фокусировкой луча (сигналы другого слоя из-за расфокусировки размываются и на их фоне различим требуемый слой).

Базовой скоростью DVD является скорость, достаточная для считывания видеодисков, -- около 11 Мбайт/с, что эквивалентно 9х для CD-ROM.

Особенности записи информации

Для упрощения записывающей аппаратуры на болванке (target) -- чистом диске для записи -- по всей поверхности при изготовлении наносится спиральная дорожка разметки (pregroove). Разметка отпечатана на верхнем слое поликарбонатного субстрата, по ней при записи наводится головка.

Эта дорожка, по которой при записи диск разбивается на кадры, содержит коды разметки диска по времени. На этой же дорожке имеется и информация о требуемой мощности лазера и возможной скорости записи. Скорость записи зависит как от диска, так и от привода. При попытке записи на диск со скоростью большей, чем гарантированная, четкость изменения оптических свойств участков ухудшается, и диск может оказаться нечитаемым.

Болванки для записи имеют маркировку типа:

* CD-R или Compact Disc Recordable -- диски с однократной записью, подходят для устройств CD-R и CD-RW;

* CD-RW или Compact Disc Rewritable -- диски с многократной записью, подходят только для устройств CD-RW.

Диски бывают разных цветов, в зависимости от цвета отражающего и регистрирующего слоев.

* Серебряный цвет имеют печатные диски (прозрачная подложка, алюминиевый отражающий слой). Алюминий на диске хоть и медленно, но все-таки окисляется и меняет свои отражающие свойства, поэтому время жизни печатных дисков оценивают в 10-15 лет.

* В голубых и зеленых болванках (если смотреть снизу) CD-R в регистрирующем слое используется цианин (cyanine) -- материал голубого цвета (cyan, откуда и название). Зеленый цвет болванок дает золотой отражающий слой, голубой остается при отражающем слое из серебра или сплавов алюминия. Эти болванки имеют среднюю стойкость к перепадам температуры и солнечному свету. Предполагаемое время жизни диска при нормальных условиях -- 75 лет.

* Золотистые болванки CD-R имеют регистрирующий слой из фталоцианина (phtalocyanine), они более стойкие к внешним воздействиям. Предполагаемое время жизни диска -- 200 лет.

* Серо-коричневый цвет имеют болванки CD-RW (цвет регистрирующего слоя).

На диске также указывается возможная скорость записи. Если диск пригоден для записи на скорости 2х и выше, то на нем должна быть отметка «Multi Speed» и указана максимальная скорость, например «4х compatible». Полностью диск на скорости 1х записывается 74 минуты (плюс еще несколько минут может потребоваться на запись служебной информации). Скорости 2х, 4х, 6х... позволяют сократить это время примерно в 2, 4, 6... раз.

Стандартный размер болванки -- 74 минуты или 650 Мбайт («двоичных»),
иногда в рекламных целях указывают 680 Мбайт, но уже «десятичных». Оба этих
числа соответствуют 333000 секторам по 2048 байт пользовательских
данных -- 681 984 000 байт. Иногда пишут даже 780 Мбайт, это те же 333 000 секторов, но уже «сырых» данных по 2336 байт без ЕСС. Бывают болванки и большего размера, вмещающие до 80 минут аудио (около 700 Мбайт данных).

Если содержание диска при обычном считывании меняется пользователем, то такие диски называются многосеансовыми дисками. Структура такого диска построена особым образом, рис. 11.4.

Сессией (session) называют набор треков (от 1 до 99), которому предшествует вводная зона, содержащая ТОС с указателями начала каждого из этих треков. За последним треком имеется и выводная зона (lead out), начало которой также задано в ТОС (Table Of Contents - таблица содержимого). Сразу за выводной зоной может быть записана вводная зона следующей сессии. Каждая сессия (структура, записанная за один сеанс) выглядит как обычный CD-ROM, но есть особенности в записях вводной зоны. Сессия называется закрытой, когда ее программная область обрамлена вводной и выводной зонами. Однако в ее ТОС указатель на выводную зону может указывать либо на начало выводной зоны, либо на ее конец, то есть на начало вводной зоны следующей сессии. Когда указатель описывает начало выводной зоны, диск становится закрытым -- следующую сессию к нему уже не добавить. Когда он указывает на конец вводной зоны, на диск возможна запись последующей сессии (если хватает ресурсов: места на диске, места в РМА и номеров треков).

Первый трек первой сессии должен иметь номер 01, следующие треки -- последовательно нарастающие номера. Номер первого трека очередной сессии должен быть следующим за номером последнего трека предыдущей сессии. Максимальный номер трека -- 99.

Многосеансовые, или мультисессионные (multi session CD), диски содержат более одной сессии, и все сессии физически доступны для чтения. Очередная записываемая сессия может быть полностью независимой (ее ТОС содержит ссылки только на ее собственные треки), а может быть и связанной с предыдущими сессиями (linked session). Связь может быть как на уровне треков (абсолютные координаты «старых» треков, все или частично, включают в ТОС новой сессии), так и на уровне файлов (для CD-ROM). Связь на уровне файлов требует внесения ссылок на файлы прежних сессий в каталогах и таблице путей, являющихся логической частью файловой системы CD-ROM.

Возможности использования информации конкретных сессий зависят от устройства считывания и его ПО. Приводы CD-ROM и аудиоплейеры способны считывать только закрытые сессии, незакрытые сессии доступны только рекордерам. Диск в принципе закрывать необязательно, но может встретиться привод, не желающий (совместно со своим ПО) читать незакрытый диск.

В таблице путей, записанной в последней сессии, могут содержаться и ссылки на файлы из предыдущих сессий. Таким образом, в зависимости от наличия этих ссылок через таблицу путей последней сессии оказываются доступными не только ее данные, но и любые файлы предыдущих сессий. При этом оказывается возможным и «обновление» прежних файлов, которое сводится к записи новых их версий и включению в таблицу путей ссылок только на эти версии. «Удаление» файлов сводится к тому, что ссылка на них не включается в таблицу путей последней сессии.

3. Флэш-память

Бытует мнение, что название FLASH применительно к типу памяти переводится как «вспышка». На самом деле это не совсем так. Одна из версий его появления говорит о том, что впервые в 1989-90 году компания Toshiba употребила слово Flash в контексте «быстрый, мгновенный» при описании своих новых микросхем. Вообще, изобретателем считается Intel, представившая в 1988 году флэш-память с архитектурой NOR. Годом позже Toshiba разработала архитектуру NAND, которая и сегодня используется наряду с той же NOR в микросхемах флэш. Собственно, сейчас можно сказать, что это два различных вида памяти, имеющие в чем-то схожую технологию производства

Схема ячейки приведена на рисунке ниже. Она характерна для большинства флэш-чипов и представляет из себя транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим (control) и плавающим (floating). Важной особенностью последнего является способность удерживать электроны, то есть заряд. Также в ячейке имеются так называемые «сток» и «исток». При программировании между ними, вследствие воздействия положительного поля на управляющем затворе, создается канал -- поток электронов. Некоторые из электронов, благодаря наличию большей энергии, преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор. На нем они могут храниться в течение нескольких лет. Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что меньше его, -- нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. В технологиях различных производителей этот принцип работы может отличаться по способу подачи тока и чтению данных из ячейки

Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс, а, следовательно, и снизить себестоимость. Но и один бит далеко не предел: Intel уже выпускает память StrataFlash, каждая ячейка которой может хранить по 2 бита информации. Кроме того, существуют пробные образцы, с 4-х и даже 9-и битными ячейками! В такой памяти используются технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что заряд их делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация бит. Теоретически прочитать/записать можно и более 4-х бит, однако, на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении. Вообще, у существующих сегодня микросхем памяти для ячеек характерно время хранения информации, измеряемое годами и число циклов чтения/записи -- от 100 тысяч до нескольких миллионов. Из недостатков, в частности, у флэш-памяти с архитектурой NOR стоит отметить плохую масштабируемость: нельзя уменьшать площадь чипов путем уменьшения размеров транзисторов. Эта ситуация связана со способом организации матрицы ячеек: в NOR архитектуре к каждому транзистору надо подвести индивидуальный контакт. Гораздо лучше в этом плане обстоят дела у флэш-памяти с архитектурой NAND.

С помощью нее осуществляется преобразование входных напряжений в выходные, соответствующие «0» и «1». Они необходимы, потому что для чтения/записи данных в ячейке памяти используются различные напряжения.

Устройство и принцип работы ячеек у нее такой же, как и у NOR. Хотя, кроме логики, все-таки есть еще одно важное отличие -- архитектура размещения ячеек и их контактов. В отличие от вышеописанного случая, здесь имеется контактная матрица, в пересечениях строк и столбцов которой располагаются транзисторы. Это сравнимо с пассивной матрицей в дисплеях :) (а NOR -- с активной TFT). В случае с памятью такая организация несколько лучше -- площадь микросхемы можно значительно уменьшить за счет размеров ячеек. Недостатки заключаются в более низкой по сравнению с NOR скорости работы в операциях побайтового произвольного доступа.

Существуют еще и такие архитектуры как: DiNOR (Mitsubishi), superAND (Hitachi) и пр.

Принципиально нового ничего они не представляют, а лишь комбинируют лучшие свойства NAND и NOR.

И все же, как бы там ни было, NOR и NAND на сегодняшний день выпускаются на равных и практически не конкурируют между собой, потому как в силу своих качеств находят применение в разных областях хранения данных.

Размещено на Allbest.ru