3.2. Компьютерная шина
Компьютерная шина (магистраль передачи данных между отдельными функциональными блоками компьютера) – совокупность сигнальных линий, объединенных по их назначению (данные, адреса, управление), которые имеют определенные электрические характеристики и протоколы передачи информации. Шины отличаются разрядностью, способом передачи сигнала (последовательные или параллельные), пропускной способностью, количеством и типами поддерживаемых устройств, протоколом работы, назначением (внутренняя, интерфейсная).
В параллельных шинах понятие «ширина шины» соответствует ее разрядности – количеству сигнальных линий, или, другими словами, количеству одновременно передаваемых битов информации. Сигналом для старта и завершения цикла приема/передачи данных служит внешний синхросигнал. В последовательных же каналах передачи используется одна сигнальная линия (возможно использование двух отдельных каналов для разделения потоков приема-передачи). Соответственно, информационные биты здесь передаются последовательно. Данные для передачи через последовательную шину облекаются в пакеты (пакет – единица информации, передаваемая как целое между двумя устройствами), в которые, помимо собственно полезных данных, включается некоторое количество служебной информации: старт-биты, заголовки пакетов, синхросигналы, биты четности или контрольные суммы, стоп-биты и т.п.
Шины могут быть синхронными (осуществляющими передачу данных только по тактовым импульсам) и асинхронными (осуществляющими передачу данных в произвольные моменты времени), а также могут использовать мультиплексирование (передачу адреса и данных по одним и тем же линиям) и различные схемы арбитража (то есть способа совместного использования шины несколькими устройствами).
Процессорная шина. Любой процессор архитектуры x86CPU обязательно оснащен процессорной шиной. Эта шина служит каналом связи между процессором и всеми остальными устройствами в компьютере: памятью, видеокартой, жестким диском и так далее. Так, классическая схема организации внешнего интерфейса процессора предполагает, что параллельная мультиплексированная процессорная шина, которую принято называть FSB (Front Side Bus), соединяет процессор (иногда два процессора или даже больше) и северный мост, обеспечивающий доступ к оперативной памяти и внешним устройствам.
В архитектуре AMD64, используемой компанией AMD в своих процессорах линеек Athlon 64/Sempron/Opteron, применен революционно новый подход к организации интерфейса центрального процессора – здесь имеет место наличие в самом процессоре нескольких отдельных шин. Одна (или две – в случае двухканального контроллера памяти) шина служит для непосредственной связи процессора с памятью, а вместо процессорной шины FSB и для сообщения с другими процессорами используются высокоскоростные шины HyperTransport. Преимуществом данной схемы является уменьшение задержек (латентности) при обращении процессора к оперативной памяти, ведь из пути следования данных по маршруту «процессор – ОЗУ» (и обратно) исключаются такие весьма загруженные элементы, как интерфейсная шина и контроллер северного моста.
Шина PCI. Шина PCI (Peripheral Component Interconnect, с англ. взаимосвязь периферийных компонентов) – шина для подключения периферийных устройств к системной плате компьютера – несмотря на моральное устаревание и уже недостаточную пропускную способность, является одной из основных шин для подключения к системе внешних устройств.
В 1991 году компания Intel представила первую спецификацию системной шины PCI. В 1993 году уже началось активное продвижение на рынок шины PCI 2.0, которая дала толчок увеличению числа ориентированных на нее продуктов и довольно быстро вытеснила изрядно устаревшие к тому времени шины ISA и EISA.
Причины успеха PCI – это гораздо более высокая скорость и возможность динамического конфигурирования периферийных устройств, подключенных к PCI (чего не было в ISA), то есть распределения ресурсов между периферийными устройствами наиболее приемлемым в данный момент времени образом и без постороннего вмешательства.
Основные тактико-технические характеристики PCI 2.0:
частота шины – 33,33 МГц,
передача синхронная разрядность шины – 32 бит
пиковая пропускная способность – 133 Мбит/с
адресное пространство памяти – 32 бит (4 Гбайт)
адресное пространство портов ввода-вывода – 32 бит (4 Гбайт)
количество подключаемых устройств – до четырех (для увеличения их количества используется мост PCI-to-PCI)
конфигурационное адресное пространство (для одной функции) 256 байт
напряжение 3,3 или 5 В.
Еще большее распространение получил стандарт 2.2.
Отличия PCI 2.2 от 2.0:
возможность одновременной работы нескольких устройств bus-master (так называемый конкурентный режим);
появление универсальных карт расширения, способных работать как в слотах 5 В, так и в 3,3 В;
появились расширения PCI66 и PCI64 (ширина шины может быть увеличена до 64 бит, а также допускается разгон тактовой частоты до 66 МГц – вдвое по сравнению с PCI 2.0);
карты расширения, удовлетворяющие этим стандартам имеют универсальный разъем и способны работать практически во всех более поздних разновидностях слотов шины PCI, а также, в некоторых случаях, и в слотах 2.1.
Существует множество вариаций на тему PCI 2.Х, наиболее распространенные из которых:
AGP – разработана на базе PCI 2.1 и предназначена для использования с графическими адаптерами, характеризуется отсутствием арбитража интерфейса, то есть допускается подключение к этой шине только одного устройства;
PCI-X – ускоренная до 133 МГц (также выпускались варианты с 266 и 533 МГц) шина PCI 2.2 с обязательно 64-битной разрядностью интерфейса;
Compact-PCI – системная шина, широко используемая в промышленной автоматике. Электрически шина соответствует обычной PCI и обычно использует тот же набор микросхем, но физически разъем выполнен по-другому, что позволяет использовать «горячее» подключение плат;
mini-PCI – применяется в портативных компьютерах;
Card Bus (32-разрядная версия стандарта PCMCIA, допускающая «горячее» подключение).
Шина PCI-Express. Анонс первой базовой спецификации PCI-Express состоялся в июле 2002 года, когда уже стало ясно, что PCI-Express – это последовательный интерфейс, нацеленный на использование в качестве локальной шины и имеющий много общего с сетевой организацией обмена данными, в частности, топологию типа «звезда» и стек протоколов. Для взаимодействия с остальными узлами ПК, которые так или иначе обходятся собственными шинами, основной связующий компонент системной платы – Root Complex Hub (узел, являющийся перекрестком процессорной шины, шины памяти и PCI-Express) – предусматривает систему мостов и свитчей. Логика всей структуры такова, что любые межкомпонентные соединения непременно оказываются построенными по принципу «точка-точка», свитчи-коммутаторы выполняют однозначную маршрутизацию пакета от отправителя к получателю. Соединение между двумя устройствами PCI Express называется link и состоит из одного (называемого 1x) или нескольких (2x, 4x, 8x, 12x, 16x и 32x) двунаправленных последовательных соединений lane. Каждое устройство должно поддерживать соединение 1x. В спецификации PCI-Express 2.0 планируется увеличить пропускную способность lane до 5 Гбит/с при сохранении совместимости с PCI-Express 1.1. Кроме всего прочего, PCI Express предлагает:
стек протоколов, каждый уровень которого может быть усовершенствован, упрощен или заменен, не влияя на остальные. Например: может быть использован иной носитель сигнала – или может быть упразднена маршрутизация в случае выделенного канала только для одного устройства (как в случае PCI Express x16 для графики);
возможности «горячей» замены карт (заложены в спецификации, опционально реализуются в серверных системах);
возможности создания виртуальных каналов, гарантирования пропускной полосы и времени отклика, сбора статистики QoS (Quality of Service – качество обслуживания);
возможности контроля целостности передаваемых данных (CRC);
поддержка технологий энергосбережения (ACPI).
USB (Universal Serial Bus). Стандарт универсальной последовательной шины определяет новый способ взаимодействия компьютера с периферийным оборудованием. Он разрешает подключать до 256 разных устройств с последовательным интерфейсом, причем устройства могут подсоединяться цепочкой. Производительность шины USB относительно небольшая и составляет 1,55 Мбит/с. Среди преимуществ этого стандарта следует отметить возможность подключать и отключать устройства в "горячем режиме" (то есть без перезагрузки компьютера), а также возможность объединения нескольких компьютеров в простую сеть без использования специального аппаратного и программного обеспечения.
3.3. Процессор
Процессор – главное устройство компьютера, основными функциями которого являются действия по обработке данных и управление последовательностью выполнения таких действий. Конструктивно процессор состоит из ячеек, в которых данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.
С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан шинами. Основных шин три: шина данных, адресная тина и командная шина.
Адресная шина. Шина адреса представляет собой набор проводников, по которым происходит передача двоичных чисел в электронной форме. Двоичные числа, передаваемые по адресной шине, представляют собой адрес ячейки памяти или порта ввода вывода, к которому в данный момент обращается процессор.
Шина данных. Шина предназначена для передачи данных от процессора к периферийным устройствам, а так же в обратном направлении. Разрядность шины данных определяется типом применяемого процессора. Количество разрядов всегда кратно восьми.
Шина команд. Шина не имеет такой же четкой структуры, как шина данных или шина адреса. В шину команд условно объединяют набор линий, передающих различные управляющие сигналы от процессора на все периферийные устройства и обратно.
Основными параметрами процессоров являются:
тактовая частота,
разрядность,
рабочее напряжение,
коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты,
размер кэш памяти.
Тактовая частота определяет количество элементарных операций (тактов), выполняемых процессором за единицу времени. Тактовая частота современных процессоров измеряется в ГГц. Чем выше тактовая частота, тем больше команд может выполнить процессор, и тем выше его производительность. Первые процессоры, которые использовались в ПК работали на частоте 4,77 МГц, сегодня рабочие частоты современных процессоров достигают отметки выше 3 ГГц.
Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью командной шины, то есть количеством проводников в шине, по которой передаются команды.
Рабочее напряжение процессора обеспечивается материнской платой, поэтому разным маркам процессоров отвечают разные материнские платы. Рабочее напряжение процессоров не превышает 3 В. Снижение рабочего напряжения разрешает уменьшить размеры процессоров, а также уменьшить тепловыделение в процессоре, что разрешает увеличить его производительность без угрозы перегрева.
Коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты – это коэффициент, на который следует умножить тактовую частоту материнской платы, для достижения частоты процессора. Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая из чисто физических причин не может работать на таких высоких частотах, как процессор.
Кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит намного быстрее, чем обмен данными между процессором и оперативной памятью. Поэтому, для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают так называемую сверхоперативную или кэш-память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти. Чем больше размер кэш-памяти, тем выше вероятность, что необходимые данные находятся там. Поэтому высокопроизводительные процессоры имеют повышенные объемы кэш-памяти.
Различают кэш-память первого уровня (выполняется на одном кристалле с процессором), второго уровня (выполняется на отдельном кристалле, но в границах процессора) и третьего уровня (выполняется на отдельных быстродействующих микросхемах с расположением на материнской плате).
В процессе работы процессор обрабатывает данные, находящиеся в его регистрах, оперативной памяти и внешних портах процессора. Часть данных интерпретируется как собственно данные, часть данных – как адресные данные, а часть – как команды. Совокупность разнообразных команд, которые может выполнить процессор над данными, образовывает систему команд процессора. Чем больше набор команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее запись команд в байтах и тем дольше средняя продолжительность выполнения команд.
Совместимость процессоров. Если два процессора имеют одинаковую систему команд, то они полностью совместимы на программном уровне. Это означает, что программа, написанная для одного процессора, может исполняться и другим процессором. Процессоры, имеющие разные системы команд, как правило, несовместимы или ограниченно совместимы на программном уровне.
Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассматривают как семейства процессоров. Так, например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086, на базе которого собиралась первая модель компьютера IBM PC. Впоследствии выпускались процессоры Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium 60,66,75,90,100,133; несколько моделей процессоров Intel Pentium MMX, модели Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Celeron, Intel Xeon, Intel Pentium III, Intel Pentium 4, модели AMD, Cyrex и другие. Все эти модели, и не только они, а также многие модели процессоров компаний AMD и Cyrix относятся к семейству х86 и обладают совместимостью по принципу «сверху вниз».
3.4. Внутренняя память
Под внутренней памятью понимают все виды запоминающих устройств, расположенные на материнской плате. К ним относятся оперативная память, постоянная память и энергонезависимая память.
Оперативная память (RAM – Random AccessMemory) – память с произвольным доступом – массив кристаллических ячеек, способных хранить данные.
В оперативной памяти хранятся данные и команды, которые в ближайшее время могут понадобиться для вычислений процессору или ожидают передачи другим подсистемам компьютера (видеокарте, жесткому диску и т.п.). Оперативная память передает информацию на порядки быстрее, чем накопители (жесткие диски или оптические накопители), и нужна для обеспечения непрерывности вычислений без задержек на получение данных. Без оперативной памяти современный компьютер также неработоспособен (ранние модели персональных компьютеров могли содержать чипы оперативной памяти прямо на материнской плате), как и без остальных основных комплектующих.
Физически оперативная память представляет собой линейный носитель информации. Под линейностью подразумевается то, что байты памяти пронумерованы, начиная с нуля, и для доступа к каждому байту процессору необходимо указать его порядковый номер. Этот номер называется адресом. Обмен информацией между процессором и памятью происходит следующим образом: на шине адреса процессор выставляет адрес, затем – если происходит операция чтения из памяти – на шине данных появляются данные, выставленные оперативной памятью, если же происходит запись – процессор сам выставляет на шину данных новое значение.
По физическому принципу действия различают динамическую память DRAM и статическую память SRAM. Ячейки динамической памяти можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать электрический заряд. Недостатки памяти DRAM: более медленная запись и чтение данных, требует постоянной подзарядки. Преимущества: простота реализации и низкая стоимость.
Ячейки статической памяти можно представить как электронные микроэлементы – триггеры, состоящие из транзисторов. В триггере сохраняется не заряд, а состояние (включенный/выключенный). Преимущества памяти SRAM: значительно большее быстродействие. Недостатки: технологически более сложный процесс изготовления, и соответственно, большая стоимость.
Микросхемы динамической памяти используются как основная оперативная память, а микросхемы статической – для кэш-памяти.
Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панелях, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате.
В момент включения компьютера в его оперативной памяти отсутствуют любые данные, поскольку оперативная память не может сохранять данные при отключенном компьютере. Но процессору необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому процессор обращается по специальному стартовому адресу за своей первой командой. Этот адрес указывает на память, которую принято называть постоянной памятью ROM или постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна продолжительное время сохранять информацию, даже при отключенном компьютере. Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.
Работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами BIOS, но такими средствами невозможно обеспечить роботу со всеми возможными устройствами (в связи с их огромным разнообразием и наличием большого количества разных параметров). Но для своей работы BIOS требует всю информацию о текущей конфигурации системы. По очевидной причине эту информацию нельзя сохранять ни в оперативной памяти, ни в постоянной. Специально для этих целей на материнской плате есть микросхема энергонезависимой памяти, которая называется CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не исчезает при отключении компьютера, а от постоянной памяти она отличается тем, что данные можно заносить туда и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы.
Микросхема памяти CMOS постоянно питается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. В этой памяти сохраняются данные о гибких и жестких дисках, процессоре и т.д. Тот факт, что компьютер четко отслеживает дату и время, также связан с тем, что эта информация постоянно хранится (и обновляется) в памяти CMOS. Таким образом, программы BIOS считывают данные о составе компьютерной системы из микросхемы CMOS, после чего они могут осуществлять обращение к другим устройствам компьютера.
3.5. Видеокарта
Видеокарта представляет собой устройство, предназначенное для обработки и вывода графической информации (интерфейса операционной системы и программ, видео и т.д.) на устройство отображения (монитор). Размеры видеокарт зависят от того класса, к которому они относятся: карты начального – Low-End – класса имеют длину около 15-18 см, Middle-End – 20 см, длина High-End достигает 25-27 см. Печатная плата видеоадаптера состоит из нескольких слоев, каждый из которых содержит тонкие токопроводящие дорожки. Дорожки на плате объединяют между собой графическое ядро (GPU – графический процессор, видеоядро), видеопамять, раздельные подсистемы питания ядра и памяти, интерфейсный разъем для подключения к материнской плате, а также разъемы для подключения мониторов и телевизора.
Ключевым компонентом любой современной видеокарты является графический процессор, который занимается расчетами выводимой на экран информации и трехмерных сцен. Графический процессор представляет собой чип расположенный на плате, кристалл которого содержит сотни миллионов транзисторов. Каждый такой чип состоит из вычислительных блоков, контроллеров шины и памяти, блоков для вывода видеоинформации (RAMDAC). Вся эта структура определяется архитектурой ядра, которая вначале разрабатывается для самого мощного видеоадаптера в семействе-поколении, затем такое ядро упрощается для менее производительных решений методом исключения определенных блоков. Частота графического процессора задается, исходя из возможностей чипа или маркетинговых соображений разработчиков.
В зависимости от того, какое графическое ядро положено в основу видеокарты, определяются ее характеристики: поддержка тех или иных технологий визуализации и рендеринга, тип памяти и ширина ее шины. На данный момент ведущими разработчиками графических процессоров являются компании NVIDIA, с серией видеокарт GeForce, и AMD с ее линейкой Radeon.
На видеокарте, как и на материнской плате, имеется микросхема BIOS, в которой хранится информация о видеоадаптере, экранные шрифты и так далее, но в отличие от материнской платы в BIOS видеоадаптера зайти практически нельзя, его можно лишь сохранить, изменить и затем прошить заново.
Для хранения изображений, текстур и другой необходимой информации на плате видеокарты установлены чипы памяти, соединенные с графическим процессором специальной шиной, ширина которой определяется в битах: 64, 128, 256, 320, 384, 512. Необходимая разрядность шины, поддерживаемая видеопроцессором, получается путем установки определенного количества микросхем с интерфейсом 16 или 32 бит. Шиной в 16 бит снабжены чипы первого стандарта графической памяти GDDR и второго поколения – GDDR2, шиной в 32 бит снабжены чипы как первого поколения, так и третьего – GDDR3, а также вышедшего совсем недавно четвертого – GDDR4. Чем больше общая ширина шины, тем выше пропускная способность памяти, а это, в свою очередь, влияет на производительность.
Чипы памяти располагаются возле графического процессора на лицевой стороне платы, но в зависимости от объема, типа памяти шины также могут быть расположены и на обратной стороне. Объем каждого чипа в отдельности измеряется в мегабитах, и после установки производителем на видеокарту определенного количества микросхем получается необходимый объем памяти: 128, 256, 512, 1024 и т.д. МБайт. Чем больше объем, тем больше можно хранить необходимой информации, а значит, качественнее можно будет выставить настройки графики.
Следующий пункт, отвечающий за характеристики видеопамяти, – ее рабочая частота, влияющая на пропускную способность. Так как современная память использует технологию DDR (Double Data Rate – удвоенная скорость передачи данных), то в качестве значений может указываться как реальная частота, так и эффективная, то есть равная удвоенной реальной. Реальную частоту памяти можно вычислить по времени доступа, указанному в маркировке чипов. Например, в видеокарте Chaintech GeForce 7600GT установлены чипы со временем доступа 1,2 нс, тогда реальная частота равна 1000/1,2=833 МГц или округленно 800 МГц, а эффективная будет 800*2=1600 МГц. Иногда производители устанавливают более скоростную память, но работающую на меньшей, чем положено, частоте, тем самым оставляя возможность для разгона. На видеокартах с памятью GDDR и GDDR2 эффективные частоты могут достигать 1000 МГц, на картах с GDDR3 частоты достигают 2200 МГц, а с GDDR4 – более 2 ГГц.
Каждая видеокарта имеет разъемы для подключения мониторов и телевизора. Обычные ЭЛТ и TFT-мониторы подключаются к VGA-разъему – D-Sub, через который вся информация передается в аналоговом виде. Недостатком такого метода является малая помехозащищенность, появление артефактов и замыливание изображения, так как в видеокарте картинка формируется в цифровом виде, потом в специальном блоке – RAMDAC (RAM – память произвольного доступа и DAC – цифро-аналоговый преобразователь) преобразуется в аналоговый вид, и уже в мониторе операция повторяется в обратном порядке.
Для повышения качества передаваемого сигнала предназначен цифровой интерфейс – DVI, информация по которому передается в цифровом виде, без потерь. Подобные интерфейсы устанавливаются в TFT-мониторах, проекторах и в каждой современной видеокарте.
ТВ-выход S-Video позволяет вывести видеосигнал на телевизор или другое устройство, оборудованное соответствующим входом.
3.6. Жесткий диск
Жесткий диск (винчестер) представляет собой сложное устройство для хранения данных, в основу которого положен принцип магнитной записи электрических сигналов.
Винчестеры используют одну или несколько магнитных пластин, на которые нанесены концентрические дорожки. Запись и хранение информации на этих пластинах происходит за счет преобразования электрических сигналов в определенные изменения магнитного поля с последующим воздействием этим полем на магнитную пластину. Благодаря явлению остаточного магнетизма следы от этих воздействий сохраняются в магнитном материале на длительный срок. Считывание информации, то есть воспроизведение электрических сигналов, происходит точно так же, только в обратном направлении.
Магнитные домены или битовые ячейки представляют собой чередующиеся участки с различным направлением намагниченности. Плотность магнитной пластины определяется размерами ячеек: чем они меньше, тем выше плотность записи информации.
Битовые ячейки формируют секторы, которые впоследствии определяют минимальную логическую единицу хранения данных – кластер. Размер кластера меняется в зависимости от использования файловой системы – NTFS или FAT32. В конечном итоге кластеры образуют те самые пресловутые мегабайты, которые определяют емкость жесткого диска.
Для считывания и записи информации используются так называемые головки, которые собраны на механическом перемещающемся приводе, предназначенном для позиционирования. Количество головок зависит от количества пластин. Для каждой магнитной пластины применяется по две головки – при условии, что используются обе ее стороны.
На производительность жесткого диска влияют несколько параметров: скорость вращения шпинделя, время доступа, плотность записи, формфактор, интерфейс, объем кэш-памяти, диаметр и количество пластин.
Скорость вращения шпинделя является одним из ключевых параметров, определяющих быстродействие накопителя на жестких дисках. Данный параметр измеряется в оборотах в минуту (RPM или RotatePerMinute) и напрямую связан с линейной скоростью головок чтения/записи. Большинство жестких дисков, рассчитанных на установку в настольные ПК, имеют скорость вращения шпинделя 7200 об./мин., накопители в ноутбуках – 5400 об./мин., старые мобильные накопители – 4200 об./мин. Серверные решения имеют более внушительные характеристики – 10000 или 15000 об./мин.
Другой параметр – время доступа представляет собой временной промежуток, который требуется на ожидание подхода требуемого сектора, когда головки встанут на нужную дорожку. Очевидно, что время доступа напрямую связано со скоростью вращения шпинделя: чем быстрее пластина докрутится до необходимого ожидаемого сектора, тем быстрее головка считает его.
Емкость жесткого диска напрямую связана с плотностью и количеством пластин: чем больше плотность и количество пластин – тем больше объем жесткого диска. Однако повышать емкость исключительно за счет увеличения количества пластин бессмысленно. Во-первых, корпус обыкновенного 3,5-дюймового винчестера способен уместить максимум 5 пластин и 10 головок. Во-вторых, большое количество пластин и головок увеличивает энергопотребление и тепловыделение, что повышает риск аппаратного сбоя из-за большого числа подвижных элементов.
Одним из основополагающих моментов типа жесткого диска является его формфактор, который, в свою очередь, определяется диаметром пластин. Обычные десктопные жесткие диски используют 3,5-дюймовые пластины и предназначены для установки в соответствующие отсеки корпусов настольных ПК. Магнитные пластины диаметром 2,5 дюйма используются в мобильных жестких дисках, которые широко применяются в ноутбуках и внешних портативных накопителях. Есть и устройства, использующие пластины диаметром 1,8", 1" и 0,8". Как правило, такие жесткие диски используются в ультрапортативных ноутбуках, MP3-плеерах и других ультрамобильных устройствах.
На сегодняшний день большинство жестких дисков выпускается для двух интерфейсов – SATA и PATA. Их пропускная способность составляет 300 Мбит/с (Serial ATA II) и 133 Мбит/с соответственно. Использование интерфейса Serial ATA предпочтительнее: большая пропускная способность, а также конструктивное преимущество в виде тонкого шлейфа, который удобнее прокладывать в корпусе, чтобы он не мешал циркуляции воздушных потоков.
Объем кэш-памяти большинства современных жестких дисков составляет 8 и 16 Мбайт. В теории, чем больше объем кэш-памяти, тем выше скорость работы жесткого диска. Однако на практике оказывается, что жесткий диск с 16 Мбайт кэш-памяти не имеет какого-либо существенного выигрыша в скорости по сравнению с аналогичной моделью, оснащенной 8 Мбайт.
Диаметр пластин также влияет на производительность накопителя на жестких дисках. Необходимо отметить, что винчестеры с одинаковой скоростью вращения шпинделя имеют и одинаковую угловую скорость. Расстояние, которое за секунду проходят головки на внешних и внутренних дорожках, разное, в последнем случае оно меньше. Соответственно, линейная скорость на внутренних дорожках, которые ближе к центру пластины, гораздо меньше, чем на внешних, расположенных ближе к ее краям.
Надежность жестких дисков измеряется временем наработки на отказ (Mean Time Between Failures). Параметр MTBF для каждой модели винчестера можно найти на сайте производителя. Как правило, большинство жестких дисков имеют сопоставимый уровень MTBF, исключение составляют серверные решения.
3.7. Оптические приводы
Оптический привод представляет собой устройство хранения данных с оптическим принципом считывания и записи. В качестве носителей оптический привод использует плоские многослойные диски диаметром 8 или 12 мм. Среди приводов можно выделить несколько основных типов данных устройств: CD-ROM, CD-RW, DVD-ROM, CD-RW-DVD, DVD-RW.
CD-ROM – самое простое из устройств подобного типа. Данный привод способен читать только обычные CD. Максимальная емкость данного типа носителя составляет 700 Мбайт. Скорость большинства «современных» CD-ROM достигает 52х (скорость одного икса составляет 150 кбайт/с), реже максимальных для данного типа устройств 56х. На сегодняшний день привод CD-ROM морально устарел и представляет интерес в самых исключительных случаях.
CD-RW – следующий этап развития оптических приводов. CD-RW позволяет не только считывать информацию с обычных компакт-дисков, но и записывать ее на матрицы CD-R и CD-RW. Актуальность CD-RW в настоящее время также под большим вопросом.
DVD-ROM – устройство, способное читать не только обычные CD-диски, но и компакт-диски DVD. Такие носители встречаются как однослойные, так и двухслойные и отличаются емкостью: 4,7 Гбайт (однослойные) и 8,5 Гбайт (двухслойные). Скоростная формула DVD-ROM выглядит следующим образом: 16х (скорость одного икса составляет 1,385 Мбайт/с) для DVD и 52х для CD.
DVD-CD-RW Combo – так называемый Combo-драйв, который сочетает в себе функции таких устройств, как DVD-ROM и CD-RW и, соответственно, может записывать диски CD-R и CD-RW, считывать как обычные CD, так и DVD.
DVD-RW – несомненный лидер рынка оптических приводов на сегодняшний день. DVD-RW позволяет не только читать диски CD/DVD, но и записывать как обычные CD-R/CD-RW-носители, так и более емкие DVD-R/DVD-RW/DVD+R/DVD+RW.
Оптические приводы выпускаются в нескольких формфакторах. На информационном рынке можно встретить данные устройства как во внутреннем исполнении, так и во внешнем.
Наиболее распространенными являются внутренние приводы, которые устанавливаются в 5,25-дюймовый отсек корпуса системного блока. Среди таких устройств можно выделить два так называемых подтипа, которые характеризуются по возможности загрузки: лоточный и щелевой. В первом случае компакт-диск укладывается в выезжающий лоток, во втором просто засовывается в щель, и устройство забирает его.
В случае использования внешнего оптического привода, устройство подключается к персональному компьютеру посредством интерфейса USB или FireWire. Дизайн таких устройств достаточно разнообразен – есть большие, угловатые модели с внешним блоком питания, требующие дополнительного питания от сети, есть и очень стильные Slim-модели, которые способны работать без дополнительного питания.
|
