Память ПК
Идеальным вариантом памяти компьютера была бы быстродействующая, энергонезависимая память достаточного объёма, расположенная прямо на кристалле центрального процессора плюс некая мобильная такая же память для переноса между компьютерами. Эту идею в усечённом виде удалось реализовать в микросхемах "микро-ЭВМ на одном кристалле", где есть "всё", но в ограниченном количестве и качестве. Пока для использования в персональных компьютерах эти микросхемы сильно не дотягивают. Вместо того, чтобы разработать память, обладающую всеми достоинствами и лишённую недостатков, реально удалось разработать множество различных устройств, работающих на различных физических принципах. Каждое из этих устройств обладает своим собственным набором достоинств и недостатков. Собрав вместе несколько устройств таким образом, чтобы максимально использовать их сильные стороны и уменьшить влияние слабых, получают варианты конфигураций памяти ПК.
На данный момент память ПК состоит в наиболее типичном случае из энергонезависимой памяти, которая "ничего не забывает" после того, как компьютер был выключен и той, что работает только, когда компьютер включен. Видимо поэтому последняя называется оперативной, т.е. рабочей. При включении ПК происходит загрузка части данных из энергонезависимой памяти в оперативную, или в ОЗУ (Оперативное Запоминающее Устройство). При этом загружается та минимальная часть данных, без которых ПК не сможет начать работать плюс та информация, к которой предполагается наиболее частое обращение, т.е. её чтение и изменение (запись). Минимальный объём загруженных данных определяется требованиями конкретной операционной системы, а максимальный объём - объёмом ОЗУ конкретного ПК и установками пользователя данного ПК. Типичный объём ОЗУ ПК от 256 кВ до 4 GВ. Объём энергонеэависимой памяти типично лежит в пределах от 40 до 400 GВ (для жёсткого диска); флэш-память более редкая в этом качестве, т.к. пока дороже. Если для ПК находится в локальной сети, то иногда значительный объём информации может храниться не на данном ПК, а на удалённом. При этом группа ПК может иметь общую информацию на этом удалённом ПК или просто на внешнем жёстком диске большого объёма, а объём енергонезависимой памяти каждого из ПК из группы, соответственно, уменьшен. Рассмотрим устройство энергонезависимой памяти - накопитель на жёстком диске и флэш-память также, как ОЗУ различных типов.
На данный момент память ПК состоит в наиболее типичном случае из энергонезависимой памяти, которая "ничего не забывает" после того, как компьютер был выключен и той, что работает только, когда компьютер включен. Видимо поэтому последняя называется оперативной, т.е. рабочей. При включении ПК происходит загрузка части данных из энергонезависимой памяти в оперативную, или в ОЗУ (Оперативное Запоминающее Устройство). При этом загружается та минимальная часть данных, без которых ПК не сможет начать работать плюс та информация, к которой предполагается наиболее частое обращение, т.е. её чтение и изменение (запись). Минимальный объём загруженных данных определяется требованиями конкретной операционной системы, а максимальный объём - объёмом ОЗУ конкретного ПК и установками пользователя данного ПК. Типичный объём ОЗУ ПК от 256 кВ до 4 GВ. Объём энергонеэависимой памяти типично лежит в пределах от 40 до 400 GВ (для жёсткого диска); флэш-память более редкая в этом качестве, т.к. пока дороже. Если для ПК находится в локальной сети, то иногда значительный объём информации может храниться не на данном ПК, а на удалённом. При этом группа ПК может иметь общую информацию на этом удалённом ПК или просто на внешнем жёстком диске большого объёма, а объём енергонезависимой памяти каждого из ПК из группы, соответственно, уменьшен. Рассмотрим устройство энергонезависимой памяти - накопитель на жёстком диске и флэш-память также, как ОЗУ различных типов.
Накопитель на жёстких дисках
Накопитель на жёстких дисках, также называемый винчестер или HDD (Hard Disk Drive) - это электромеханическое устройство, чувствительное к ударам и вибрациям. Основными узлами HDD являются покрытый ферромагнитным слоем диск (несколько дисков) - носитель информации и блок (блоки) магнитных головок - устройство записи-считывания информации. При записи или считывании диски приводятся во вращение электродвигателем, а магнитные головки располагаются над поверхностью дисков на высоте 5 - 10 нМ. Ферромагнитный слой представляет собой магнитный материал, который может быть намагничен приложенным к нему магнитным полем в области расположения записывающей магнитной головки. Магнитный материал может сохранять остаточную намагниченность после исчезновения внешнего магнитного поля много лет. Записывающая магнитная головка индукционного типа, т.е. того же типа, что и в магнитофонах, только очень маленькая. Настолько маленькая, что её делают теми же методами, что и микросхемы. Индукционная головка представляет собой катушку провода с ферромагнитным сердечником. При пропускании электрического тока через катушку головки возникает магнитное поле того или иного направления, которое по мере вращения диска оставляет на нём след в виде дорожки из разнополярно намагниченных областей - см. рис. 1.
На рис. 1 схематически показана одна из концентрических кольцевых дорожек - следов под магнитными головками, которые образуются при вращении диска под неподвижными головками. На обмотку записывающей головки поступает ток того или иного направления, в зависимости от значения бита записываемой информации "0" или "1". В результате протекания тока по катушке создаётся магнитное поле, которое замыкается, в основном, через магнитопровод головки записи и участок магнитного слоя под полюсами магнитопровода, проходя через тонкие немагнитные зазоры между полюсными наконечниками и ферромагнитной поверхностью диска.
Магнитная головка считывания - магниторезистивного типа. При прохождении намагниченной области под головкой считывания, её магниторезистивный материал уменьшает своё электрическое сопротивление, что детектирует усилитель считывания.
На поверхности диска находится несколько десятков тысяч дорожек. Для того, чтобы магнитные головки имели доступ к любой из дорожек на диске, они перемещаются системой позиционирования. В процессе производства диски HDD подвергают низкоуровневому форматированию. При этом форматировании на поверхности дисков наносят метки, благодаря которым, система позиционирования магнитных головок находит нужные дорожки и отслеживает точное положение головок относительно дорожки. Кроме того, дорожки разделяются на несколько групп. Каждую группу дорожек разбивают на секторы. Та группа дорожек, что расположена ближе к краю диска, имеет наибольшее количество секторов, а самая ближняя к оси диска - наименьшее количество секторов. В результате такого разбиения добиваются более равномерного распределения информации по поверхности диска. Информация о дорожках и секторах записана в ПЗУ HDD и остаётся неизменной в течение всей эксплуатации HDD. Кроме того, на каждой дрожке имеются резервные секторы. Если в каком-либо рабочем секторе возникает неисправность, то он может быть подменён резервным.
Сигнал считывания очень слаб и поэтому его трудно безошибочно отделить от помех и опознать, как "0" или "1". Поэтому, особенно при считывании информации , возникают ошибки. Чтобы исправить возникшие ошибки, применяют избыточное кодирование. При этом к каждым нескольким битам полезной информации перед записью добавляют несколько избыточных бит, что приводит, конечно, к расходованию большего объёма памяти, но позволяет восстановить испорченные биты информации, если испорченных бит не слишком много. На рис.1 представлена функциональная схема HDD.
Сигнал считывания очень слаб и поэтому его трудно безошибочно отделить от помех и опознать, как "0" или "1". Поэтому, особенно при считывании информации , возникают ошибки. Чтобы исправить возникшие ошибки, применяют избыточное кодирование. При этом к каждым нескольким битам полезной информации перед записью добавляют несколько избыточных бит, что приводит, конечно, к расходованию большего объёма памяти, но позволяет восстановить испорченные биты информации, если испорченных бит не слишком много. На рис.1 представлена функциональная схема HDD.
Операционная система компьютера ОС совсем не интересуется физической реализацией процесса записи-воспроизведения, которая может быть самой разной, а общается со всеми HDD одинаковым образом через стандартный интерфейс. Т.е. ОС абстрагирована от физического уровня реализации процесса. Блок электроники HDD переводит на физический уровень и обратно общение с ОС.