Memoria externa a unui calculator

Memoria externa a unui calculator

Am amintit ca principalii suporti de memorie externa sunt cei magnetici, reprezentati de discurile si benzile magnetice. Proprietatile de baza ale acestora sunt:

nevolatilitatea - informatiile stocate nu se pierd la scoaterea de sub tensiune a echipamentului, asa cum se intampla la memoria RAM. Datele stocate se pot sterge numai prin comanda utilizatorului;

stocarea magnetica -se refera la tehnicile de memorare si de citire a informatiilor, bazate pe exploatarea proprietatatii de histerezis magnetic a unor materiale, depuse pe suportul de stocare. Intuitiv, aceasta este similara cu cea a inregistrarii sau redarii la un casetofon;

amovibilitatea suportilor este proprietatea acestora de a putea fi inlocuiti in dispozitivul de stocare. Exceptand hard-diskul, care - dupa cum vom vedea - este un suport inamovibil (de aceea el mai este impropriu denumit si disc fix), celelalte dispozitive magnetice de stocare permit schimbarea suportului de memorare montat pe echipament. In acest fel, utilizand un numar corespunzator de elemente de stocare, se poate creste capacitatea de memorare oricat de mult. Pentru pastrarea suportilor inregistrati se organizeaza arhive, care se vor numi magnetoteci, bandoteci sau .discoteci.

accesul direct sau cel secvential se refera la metoda de cautare si regasire a informatiilor stocate. Accesul  secvential este specific benzilor magnetice, unde o inregistrare se regaseste dupa parcurgerea tuturor predecesoarelor ei (asa cum o secventa de pe o caseta video se gaseste deruland rapid banda pana la imaginea dorita). Deorece metoda implica un mare consum de timp pentru cautare, pe benzi se inregistreaza uzual numai arhive de date, care la prelucrare vor fi transferate pe disc. Accesul direct este specific discurilor. Pe acesti suporti informatiile au o organizare fizica specifica (pe care o vom prezenta putin mai tarziu), care permite calculul direct al adresei ce trebuie accesata. Pozitionarea capetelor de citire /scriere se face direct pe zona dorita, oarecum similar cu pozitionarea capului de redare pe un disc de pick-up. Accesul direct nu il exclude pe cel secvential, asfel ca pe disc tipul de acces depinde si de natura prelucrarilor (citirea unui fisier sau ascultarea unei melodii este secventiala, pe cand cautarea unei anumite inregistrari in acel fisier impune accesul direct).

Vom prezenta in continuare sumare descrieri ale principalelor tipuri de echipamente externe de stocare.

Figura 3.4. Discul de masa

Discul de masa este stramosul comun al hard disk-urilor si floppy disk-urilor, fiind utilizat de catre generatiile de calculatoarele predecesoare PC-uri. Conform figurii 3.4, este alcatuit dintr-un numar de platane din aluminiu (de obicei 10)  acoperite cu material magnetic, montate rigid pe un ax central. Ansamblul se numeste pachet (sau pila disc). Intre platane exista un spatiu care sa permita deplasarea capetelor de citire/scriere, care sunt montate rigid pe un mecanism mobil de acces. Fiecarui platan ii corespund doua capete, corespunzatoare celor doua fete ale acestuia. Pachetele sunt demontabile, ele putand fi inlocuite manual pe unitatea de disc. In timpul functionarii, pachetul este antrenat de catre un motor intr-o miscare de rotatie, la o turatia uzuala de 3600 rot/min, in timp ce mecanismul de antrenare al capetelor deplaseaza printre platane ansamblul acestora, radial fata de axul central. Printr-un sistem pneumatic, capetele sunt mentinute in permanenta deasupra suprafetelor discului de o perna de aer cu o grosime foarte mica. Atingerea accidentala de catre acestea a suprafetei discurilor (la o intrerupere de tensiune, de exemplu) provoaca avarierea definitiva atat a lor cat si a pilei montata pe unitate. Capacitatea de stocare a unui singur pachet era cuprinsa intre 40 si 200 MB, dar prin utilizarea mai multor pile disc, volumul datelor stocate putea fi mult mai mare,

Figura 3.5. Adresarea fizica la hard disk-uri

Discurile magnetice sunt suporturi de stocare a informatiilor adresabile. In figura 3.5 este ilustrata organizarea fizica a datelor, care permite calculul de adresa. Informatia este inscrisa pe un numar de zone circulare concentrice numite piste, plasate pe ambele fete ale platanelor. La randul lor, pistele sunt impartite in mai multe sectoare. Totalitatea pistelor de aceeasi raza dintr-un pachet formeaza un cilindru. Puem spune deci ca un disc are x cilindri, fiecare cilindru avand y piste, iar fiecare pista avand n sectoare. Capacitatea obisnuita de stocare pe un sector este 256 sau 512 bytes. Din acest mod de organizare rezulta ca pozitionarea capetelor de citire/scriere se face la un moment dat pe un cilindru, iar cea mai mica cantitate de informatie care poate fi adresata si transferata odata de pe disc este sectorul (asa cum la memoria interna era locatia). Timpul de acces necesar pentru efectuarea acestui transfer elementar este alcatuit din suma intre timpul de pozitionare al capetelor pe pila si cel de citire/scriere propriu-zise. Datorita dispozitivelor mecanice de miscare a capetelor, primul timp este destul de mare (de ordinul milisecundelor). Incercarea de a construi discuri de masa cu mecanism de acces al capetelor fix - cu toate ca duce la cresterea vitezei de transfer - conduce la o structura prea complicata (daca numarul de piste este - de exemplu - 400, unitatea de disc trebuie prevazuta cu 400 de capete de citire/scriere, cate unul pentru fiecare pista). Astfel de solutii sunt utilizate numai in cazuri foarte rare.

Hard-diskul HD) este principalul suport de memorie externa pentru PC-uri si unele minicalculatoare. Constructiv, un HD este un ansamblu de platane montate rigid pe un ax central (similar cu pila discului de masa) care, impreuna cu grupul de capete de citire/scriere, este introdus intr-o capsula inchisa ermetic, pentru asigurarea protectiei impotriva patrunderii impuritatilor (figura 3.6). Diametrul platanelor este de 3 1/2" sau mai mic (pentru variantele

Figura 3.6. Un hard-disk

Uneori, hard diskul este numit si disc Winchester. Numele nu apartine nici constructorului, nici firmei producatoare, ci reprezinta o consecinta a campaniei publicitare de lansare a echipamentului: atunci, fiabilitatea sa era comparata cu cea a mitralierei Winchester, despre care se spunea ca nu se strica niciodata. Principiul de organizare fizica a datelor pe HD este identic cu cel pentru discurile de masa: piste circulare concentrice impartite in sectoare. Notiunea de cilindru est mai rar folosita. In ceea ce priveste capacitatea de stocare, daca primele modele aveau 10,20,40 MB, astazi  s-a ajuns la cateva zeci de GB. La PC-uri, HD poate fi montat ca unitate de stocare interna (varianta uzuala) sau ca sistem extern (care se poate cupla la un calculator numai atunci cand trebuie transferate datele).

Caracteristicile hard disk-urilor sunt importante, deoarece ele influenteaza in mare masura performantele calculatorului. In majoritatea cazurilor, utilizatorul este interesat numai de capacitatea sa, dar pentru unele aplicatii mai pretentioase este utila cunoasterea si a altor parametri:

rata de transfer - reprezinta volumul de informatii care poate fi transferat in unitatea de timp si se masoara in MB/secunda;

timpul mediu de acces - reprezinta timpul dupa care informatia este disponibila utilizatorului, masurat din momentul lansarii cererii. Valorile medii ale acestuia variaza astazi intre 15 si 200 ms;

capacitatea de stocare - este exprimata in GB. Mentionam ca intre capacitatea discului neformatat si acelui formatat exista mici diferente;

viteza de rotatie - are valori cuprinse intre 5000 si 10000 rpm (rotatii pe minut) si poate influenta serios volumul de date transferate, dincolo de problemele speciale de echilibrare dinamica care pot aparea;

gabaritul - este dat de dimensiunile externe ale discului. Uzuale sunt pilele de 3.5', dar laptop-urile si notebook-urile sunt echipate cu unitati de 2.5'.

Inainte de a fi exploatate, hard disk-urile trebuie sa treaca printr-un proces de pregatire, numit formatare. Aceasta consta in urmatoarele etape:

formatarea fizica (low-level), proces prin care sunt delimitate pistele si sectoarele si sunt inscrise informatiile de sincronizare si control pentru fiecare sector;

formatarea logica (high-level), proces prin care se inscriu informatiile specifice sistemului de operare;

partitionarea, proces prin care pe un singur suport fizic se pot defini mai multi suporti logici.

Mentionam ca formatarea fizica este efectuata de catre producator. Formatarea logica este efectuata de catre utilizator si atunci cand discul a fost utilizat in prealabil, operatia duce la pierderea ( de obicei ireparabila) a tuturor informatiilor de pe disc. Partitionarea este utila atunci cand utilizatorul, de exemplu,  lucreaza alternativ cu mai multe sisteme de operare.

Floppy-disk-ul (FD), discul flexibil sau discheta, cum ne-am obisnuit sa il numim uzual, este - pentru utilizatorii PC-urilor - cel mai popular suport de memorie externa. Acest suport de stocare consta dintr-un disc de material plastic (mylar), acoperit cu strat de oxizi cu proprietati magnetice. El este introdus intr-o anvelopa de protectie din hartie sau material plastic. In unitatea FD, un motor pas cu pas antreneaza discul in miscare de rotatie, numai atunci cand se transfera date, pe cand capul de citire/scriere vine in contact cu suprafata magnetica.

In figura 3.7 sunt prezentate versiunile constructive de FD - uri cel mai frecvent utilizate: unitatea mai veche de 5 1/4", iesita astazi din uz si unitatea de 3 1/2", specifica PC-urilor actuale. Cele doua valori se refera la diametrul dischetei. In figura se poate observa sistemul de protectie mecanica impotriva scrierii accidentale a FD-ului, constand dintr-un orificiu care interzice aceasta operatie daca este obturat.

Figura 3.7. Floppy-disk - uri

Pentru a putea fi utilizata, discheta trebuie de asemenea formatata. Capacitatea de stocare pentru FD-ul de 3 1/2" este standardizata si are valoarea de 1,44 MB. Informatia este organizata fizic in 80 de cilindri, cu 18 sectoare pe pista si 512 KB capacitatea unui sector. Trebuie retinut ca la orice tip de disc magnetic, volumul de date stocat nu depinde de dimensiunea acestuia, ci de densitate de inregistrare, reprezentand  numarul de biti memorati pe o portiune de pista cu lungimea de un inch.

In configuratiile obisnuite, un PC avea doua unitati de FD, respectiv cate una pentru fiecare dimensiune constructiva. Treptat, unitatea de 5 1/4" a fost eliminata, in locul ei fiind introdusa in configuratia PC - ului unitatea de CD-ROM.

Deoarece aproape fiecare dintre noi utilizam sau purtam cu noi dischete continand diverse informatii (de la programe de calcul la .mersul trenurilor) este bine sa reamintim cateva reguli de pastrare a acestora. Astfel, suprafata magnetica nu trebuie atinsa sau zgariata si trebuie protejata impotriva prafului sau a impuritatilor de orice fel. FD-urile nu se depoziteaza in apropierea unor surse de campuri electromagnetice, fie ele motoare electrice, televizorul sau statii de amplificare audio. Trebuie evitata pastrarea dischetelor la temperaturi extreme (prea joase sau foarte inalte), expunerea lor indelungata la radiatia ultravioleta si - nu in ultimul rand - trebuie renuntat la scrierea pe anvelopa de protectie (atunci cand este necesar, putem folosi eticheta aplicata pe disc si destinata special acestui scop).

In incheierea acestei prezentari, sa nu uitam ca - dincolo de utilitatea sa incontestabila - floppy disk-ul este si principalul suport pentru transportul de la un calculator la altul al virusilor. De aceea, precautia de a scana cu un program antivirus orice discheta cu informatii noi pe care dorim sa o folosim nu este niciodata exagerata, ba chiar trebuie considerata obligatorie.

In configuratiile de PC -uri au fost folosite pe scara mai redusa si alte tipuri de discuri magnetice. Dintre acesti suporti magnetici auxiliari de stocare mentionam:

discul cartridge - utilizat la PC-uri si minicalculatoare, are o capacitate comparabila cu  a HD - ului, insa este amovibil, intocmai ca un FD. Discul propriu-zis de 3 1/2 " este introdus intr-o capsula de protectie rigida si este manevrat intocmai ca o discheta. Principalul dezavantaj il constituie pretul de cost ridicat: circa 100$ discul si 2000$-3000$ unitatea cartridge.

hard-card-ul este la PC-uri o extensie a hard-disk-ului, fiind de fapt un alt hard-disk impreuna cu circuitele sale de interfata, care poate fi montat pe placa de baza a calculatorului, obtinandu-se o crestere a capacitatii de stocare pentru sistemele care necesita acest lucru.

RAM-disk-ul si cache disk-ul sunt utilizati ca modalitati de extindere a memoriei interne, deci sunt echipamente de stocare intermediare intre aceasta si discurile clasice. Viteza de transfer a datelor este de 50 pana la 200 de ori mai mare decat de pe HD. Comunicarea cu UC se face prin placi de interfata speciale sau emulatoare soft.

Banda magnetica a reprezentat in trecut principalul suport de memorie externa pentru calculatoare. Acum, aceasta suprematia a fost pierduta, mai ales din cauza accesului lent la informatii, de tip secvential si neadresabil. Benzile sunt inca folosite de catre calculatoarele mari, sub forma unor role de diametrul de 10 1/2" care contin de obicei 750 metri (2400 picioare) de banda cu latimea de 1/2". Informatiile se scriu longitudinal, de obicei pe opt piste simultan, cu o densitatea de scriere de 6250 bytes/inch.

Versiunile benzilor magnetice utilizate pentru PC-uri se numesc casete magnetice (streamer). Ele au dimensiuni mai mici, comparabile cu o caseta video si pot stoca de la sute de MB pana la cativa GB de date, fiind utilizate pentru arhivarea datelor de pe hard-disk-uri. Se realizeaza astfel copii de siguranta sau backup-uri. Exista si versiuni care utilizeaza o tehnica originala de inregistrare, ce consta in scrierea transversala a benzii, atingandu-se capacitati de 2 GB.

Unitatile de stocare alternativa sunt dispozitive care - cu toate ca nu ameninta suprematia suportilor magnetici de stocare externa - reprezinta solutii demne de luat in seama pentru marirea capacitatii memoriei externe a calculatorului personal. Nivelul lor de acceptare tinde astazi catre unanimitate, odata cu eliminarea unor reticente legate mai ales de prejudecati decat de disfunctionalitati reale.

Sa le prezentam pe cele mai interesante:

Compact discul (CD-ROM) este considerat dispozitivul cu cel mai profund impact asupra tehnologiilor de stocare externa, indeosebi pe PC - uri. Lansat in anii '90,  compact discul a fost dezvoltat de firmele Sony si Phillips, mai intai pentru inregistari audio, apoi si in varianta digitala. El utilizeaza tehnologia laserilor pentru scrierea si citirea datelor, ceea ce permite obtinerea unor densitati de stocare a informatiei foarte mari, comparabile sau chiar mai mari decat cele ale discurilor clasice. Unitatea de CD s-a ieftinit foarte mult in ultimii ani si a devenito componenta curenta a arhitecturii fiecarui calculator.

Dupa cum sugereaza si numele, CD-ROM - ul este un periferic de memorare externa de tip read only, adica poate fi numai citit. El are aspectul si gabaritul unui floppy disk, dar capacitatea de stocare este comparabila cu a unui hard-disk, in conditiile unor timpi de acces de cateva ori mai mari. Dezavantajul major, dat de faptul ca CD-ul nu poate fi decat citit, este compensat prin faptul ca el este ieftin si deosebit de fiabil. Folosirea lui a fost impusa si de producatorii de software, care difuzeaza astazi pe CD atat produsele lor, cat si documentatia aferenta. CD-ROM - ul este prin excelenta un suport de stocare multimedia, pentru ca poate contine simultan date, imagini si muzica. De aceea, utilizatorii il mai numesc si "enciclopedie electronica" si il considera astazi indispensabil pentru dezvoltarea si exploatarea unor astel de aplicatii.

Fizic, compact discul este un suport cu diametrul de 4.5', dotat cu un orificiu interior de angrenare cu diametrul de 1.5 cm. El este realizat din policarbonat acoperit cu aluminiu (stratul activ) si protejat cu un invelis din plastic transparent. Scrierea informatiei se face in spirala, lungimea desfasurata a acesteia fiind de aproximativ 5 km. Informatia ocupa o cavitate de circa 0.12 microni, iar distanta intre spire este de 1.6 microni. Capacitatea unui astfel de disc este de 640 MB, ceea ce inseamna, de exemplu. 74 de minute de muzica inregistrata la cea mai inalta calitate, sau 500 000 de pagini tiparite sau echivalentul a 450 de dischete. CD - ul este inscriptionat de catre producator, printr-un procedeu de multiplicare prin matritare al unui prototip numit master. Informatia inregistrata nu se altereaza, fiind garantata un timp foarte indelungat. 

Citirea informatiei de pe CD - uri se face cu un fascicul de lumina focalizata (laser) de energie redusa. Pentru a asigura citirea spiralei de informatie cu o viteza liniara constanta, trebuie sa se modifice viteza unghiulara a discului, implicit deci si viteza de rotatie a discului in unitate (sunt necesare viteze mai mari cand se citesc zone mai apropiate de centrul discului). De aceea, informatiile utile sunt grupate in blocuri, intre care se gasesc spatii numite gap-uri, unde se inscriu informatiile de sincronizare si corectie a erorilor.

Citirea este caracterizata de un parametru numit rata de transfer, care masoara cantitatea de informatie care se transfera in unitatea de timp. Din punct de vedere comercial, acest parametru este evidentiat printr-un factor de multiplicare fata de o valoare standard de a ratei de transfer, considerata a fi 150 KB/s. Sa remarcam totusi ca o unitate cu viteza 48X nu are o rata de transfer direct proportionala cu aceasta valoare, ci mult mai mica.

In ultimul timp au aparut CD-urile reinscriptibile. Acestea pot fi inscriptionate de catre utilizator, fie o singura data, fie de mai multe ori. Din prima categorie fac parte discurile optice CD-R sau cele denumite WORM (Write Once Read Many), iar dintr-a doua, discurile CD-RW (rewritable CD).

Inscriptoarele de CD permit scrierea informatiei pe un suport gol (blank), dupa ce aceasta a fost pregatita in prealabil pe HD. Unele tipuri permit copierea si de pe un alt CD. Metodele de scriere a CD-urilor sunt standardizate. Cea mai simpla este track at once (scrierea unei singure piste). Metoda disc at once permite o scriere continua a intregului disc, iar metoda track multisession permite revenirea pentru scriere in mai multe sesiuni de lucru pe acelasi CD.

In domeniul aplicatiilor multimedia, CD-urile de mare capacitate, care contin text, grafica, imagini video, au devenit indispensabile. Astfel a aparut DVD-ul (Digital Video Disk). Acesta are o capacitate standardizata de 4.7 GB, care permite memorarea unui film de 135 minute. Exista si standarde pentru capacitati de 8.5 GB (240 minute de film), 9.4 GB (266 de minute) sau chiar 17GB (480 de minute). Industria cinematografica a adoptat DVD -ul, deoarece producerea si multiplicarea unui astfel de disc este mult mai ieftina decat multiplicarea pe videocaseta, suportul este mai fiabil si mai mic, iar calitatea imaginilor si a sunetului este mult mai buna si nu se altereaza dupa redari repetate.

Au fost construite si echipamente video interactive, numite sisteme videodisc. Ele sunt destinate cautarii unor informatii de o anumita natura, utilizatorul avand la dispozitie un ecran tip touche screen pentru a putea selecta diverse optiuni. Un astfel de sistem poate fi un atragator album de prezentare a produselor unui magazin de blue-jeans sau un catalog documentat pentru cel care doreste sa-si cumpere o casa. In acest ultim caz, spre exemplu, doritorul selecteaza zona geografica, pretul oferit, detaliile arhitecturale, iar sistemul video-disc furnizeaza pe rand cadre cu locuinte disponibile.

In cadrul actiunii de inlocuire a tehnicilor fotografice clasice cu cele digitale, firma Kodak a realizat Photo CD-ul. Astfel, beneficiarul va primi in locul unui film developat un CD continand imaginile imortalizate pe pelicula. De aceeasi maniera pot fi produse prezentari si cataloage de firma sau pot fi realizate arhive de fotografii.

Unitatile magneto-optice stocheaza informatia utilizand un mixaj intre mecanismele optice si cele magnetice cunoscute. Discul, de marimea unei dischete, este format dintr-un suport din aluminiu, peste care se depun succesiv un strat de plastic transparent si altul dintr-un aliaj ale carui proprietati magnetice se modifica termic, sub influenta fasciculului laser. Un astfel de suport poate fi rescris de mai multe ori, dupa ce in prealabil este demagnetizat prin incalzire cu laser. Totusi, astfel de unitati sunt inca lente si au capacitati de stocare relativ mici.

Memoriile cu bule magnetice. O bula magnetica este o unitate de stocare cu diametrul de cateva ori mai mic decat al firului de par care se fixeaza printr-un procedeu special pe un film subtire din material magnetic. Filmul contine cateva mii de astfel de unitati si este protejat intr-un invelis (ca un cip de circuite integrate). In anii '70 specialistii prognozau ca aceste memorii vor duce la inlocuirea discurilor. Optimismul lor se baza pe faptul ca prezentau avantajul unor suporti statici, care nu aveau nevoie de piese in miscare pentru manevrarea informatiilor (asa cum necesita discurile) oferind o fiabilitate radical sporita. De aceasta data, prognoza s-a dovedit a fi falsa, memoriile cu bule magnetice avand inca o arie de utilizare restransa, datorata in principal preturilor destul de mari. Sectorul lor de piata este destinat mai ales PC-urilor, robotilor industriali sau echipamentelor de comunicatie.