ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

RAID7: Отказоустойчивый массив с элементами оптимизации

Предыдущая 27 28 29 30 31 32 333435 36 37 38 39 40 41 42 Следующая

В этом массиве оптимизация используется для повышения производительности. RAID7 является запатентованным методом фирмы Storage Computer Corporation. Здесь используются концепции RAID3 и RAID4.

В состав RAID7 входит контроллер со встроенным микропроцессором под управлением ОС реального времени, позволяющей обрабатывать все запросы на передачу данных асинхронно и независимо. Блок вычисления контрольных сумм интегрирован с блоком буферизации. Для хранения информации о контрольных суммах используется отдельный диск (рис. 4.19).

Как следует из вышеизложенного, у каждого из уровней RAID имеются свои достоинства и недостатки. Поэтому инженерная мысль работает в направлении объединения достоинств различных видов массивов. С этой целью стали создавать так называемые составные массивы. Чаще всего для этих целей используется сочетание быстрого уровня RAID0 с достаточно надежными уровнями RAID1, 3 или RAID5. Получающийся составной массив обладает улучшенными характеристиками, но за это надо платить увеличением стоимости и повышением сложности реализации.

Рис. 4.19. RAID уровня 7

В общем случае составной RAID-массив строится по следующей схеме: сначала диски делятся на наборы (SET), затем на основе каждого набора создаются простые массивы, которые потом объединяются в один мегамассив. Так, например, запись X+Y для обозначения составного RAID массива означает, что сначала диски объединяются в RAID массив уровня X, а потом несколько массивов RAID X объединяются в RAID массив уровня Y.

Наиболее распространенным в настоящее время являются составные массивы:

RAID01 (RAID0+RAID1);

RAID10 (RAID1+RAID0);

RAID03 (RAID0+RAID3);

RAID30 (RAID3+RAID3);

RAID05 (RAID0+RAID5);

RAID50 (RAID5+RAID0);

RAID15 (RAID1+RAID5);

RAID51 (RAID5+RAID).

RAID01 часто называют «зеркалом страйков», а RAID10 – «страйком зеркал». К сожалению, этот американизм вытесняет нормальное русское слово «чередование». Основным недостатком составных массивов RAID01 и RAID10 является низкий процент использования емкости накопителей (примерно 50%).

Массивы RAID03 и RAID30 имеют довольно высокий процент использования емкости дисков и высокой скорости чтения данных, но достаточно дороги и сложны в реализации.

Массивы RAID15 и RAID51 позволяют значительно повысить надежность. Так, например, RAID15 продолжает работать при отказе трех накопителей, а RAID51 продолжает работать при потере 5 из 8 жестких дисков. За это приходится платить большим количеством неиспользуемой емкости дисков и общим удорожанием системы.

В ряде случаев возникает ситуация, когда нужно иметь один диск достаточно большой емкости и при этом не использовать ни зеркалирование, ни чередование, ни контрольные суммы. В этом случае применяют метод JBOD (Just A Bunch of Disk). В этом случае используется все дисковое пространство, и, кроме того, при выходе из строя одного из дисков информация на других дисках не повреждается.

Оптические диски

Накопители на оптических дисках(НОД) являются относительно «молодым» видом ЗУ. Первые НОД появились в середине 80-х годов 20‑го столетия. Хотя они появились из другой области (цифровая звукозапись), однако быстро заняли прочное место в иерархии внешней памяти ЭВМ.

В отличие от жестких дисков, где привод и носитель (диск) входят в состав одного устройства, НОД являются съемными. Диски являются самостоятельными компонентами, а привод представляет собой отдельное устройство.

Рис. 4.20. Поверхность дисков CD и DVD

Оптические диски изготавливаются из пластмассы, на поверхность которой наносится отражающий слой. Как для чтения, так и для записи НОД используются лазерные лучи, направляемые на поверхность вращающегося оптического диска. Луч лазера отражается от поверхности диска и фиксируется в фотоприемнике. При чтении информации используется различие интенсивности (или фазы) отраженного света, соответствующего нулю и единице данных. Различие интенсивности или фазы света возникает за счет углублений (ямок, питов (pits)), формируемых в отражающем слое при записи, либо за счет изменения коэффициента отражения света от этого слоя (рис. 4.20). Промежутки слоя между питами называютсялендами.

Питы и ленды образуют единую спиральную дорожку, расположенную (обычно) с одной стороны оптического диска и начинающейся с его центральной части. Шаг дорожки и минимальный размер питов различается для разных НОД (см. рис. 4.20).

Рис. 4.21. Процесс чтения оптического диска

Следует заметить, что питы не являются битами 0 или 1 в привычном понимании. Каждый пит представляет сразу несколько бит информации. Наиболее часто используемая последовательность представляет собой совокупность, в которой между двумя 1 не меньше двух и не больше десяти нулей. При этом питы чередуются в моменты, соответствующие началу бита, равного 1 (рис. 4.21).

Питы и ленды с точки зрения представления информации равнозначны и характеризуют только временные интервалы между двумя единицами в последовательности бит. Поскольку состояние (ленд или пит) изменяется в моменты, соответствующие именно началу бита, равного 1, то протяженность каждого участка (и пита и ленда) лежит в пределах от 3 периодов тактовой частоты (так называемый интервал 3Т) до 11 периодов (интервал 11Т), т.е. включает и длительность одного бита, равного 1. От участка, который называется «ленд», свет лазера отражается и попадает в фотоприемник, а от участков «пит», свет из-за расфокусировки луча в фотоприемник не попадает. Фактически ленд - это вся поверхность диска, кроме питов. Для систем слежения за записью питы - это темные участки диска, а ленды - светлые. На рис. 4.21 схематично показано кодирование информации на оптическом диске, а также отражен процесс чтения диска.

Первые оптические диски получили название компакт-дисков или CD (Compact Disk), а поскольку они не допускали изменения записанной информации, то по аналогии с постоянными ЗУ (Read-Only Memory), их стали называть CD-ROM.

В настоящее время существует несколько признаков, по которым можно классифицировать НОД. Наиболее часто используемыми являются:

· тип носителя;

· возможность изменения записанной информации;

· формат хранения данных;

· способ записи информации.

На рис. 4.22 приведен вариант классификации НОД по приведенным выше признакам.

По типу носителя различают компакт-диски (CD) и DVD диски (Digital Versatile Disks – цифровые универсальные диски). DVD-диски можно рассматривать, как следующее поколение НОД, обеспечивающее более высокую плотность хранения информации и скорость передачи данных.

В стандартном варианте компакт-диски допускают запись до 700 Мбайт. DVD-диски внешне похожи на СD-диски и по размерам и по материалу, из которого изготовлена основа. Основное их отличие от CD-дисков заключается в организации хранения данных.

Рис. 4.22. Классификация НОД

У DVD-дисков размеры питови шаг спиральной дорожки примерно в два раза меньше, чем у CD-дисков. DVD-диски состоят из двух соединенных между собой половинок (сторон). DVD-диски могут быть одностороннимии двухсторонними. Если на стороне диска имеется один слой для хранения информации, то такой диск называют однослойным, если имеется два слоя, то – двухслойным. Кроме того, способы кодирования информации у DVD и CD-дисков различны. Емкость DVD-дисков может составлять до 17 Гбайт данных.

По возможности смены хранимой информации различают: прессованные, с однократной записью (записываемые – Recordable или R) и перезаписываемые (Rewritable или RW).

Прессованные CD диски имеют простой носитель, состоящий из трех слоев:

· пластмассовой (поликарбонатной) основы, на которой штампуется спиральная дорожка с ямками, несущая записанную информацию;

· отражающего слоя (алюминиевая металлизация);

· слоя лака (для защиты отражающего слоя от царапин и пыли). На этом слое наносится полиграфическое оформление диска.

Рабочая поверхность таких дисков, как правило, белая. Технология изготовления прессованных дисков напоминает технология изготовления грампластинок, но гораздо сложнее и точнее.

Записываемые компакт-диски (CD-R) состоят из четырех слоев:

· пластмассовой (поликарбонатной) основы;

· записывающего слоя из специального красителя;

· отражающего металлизированного слоя (золото или серебро);

· защитного слоя лака, на котором наносится полиграфическое оформление.

Записываемые компакт-диски имеют цвета зеленоватых или синих оттенков. Похожую структуру имеют записываемые диски DVD, но при этом данные диски могут иметь два слоя (рис. 4.23).

Рис. 4.23. Структура записываемого двухслойного диска DVD-R (DL)

Перезаписываемые диски CD-RW или DVD-RW имеют еще более сложную структуру. Чаще всего они состоят из шести слоев:

· пластмассовой (поликарбонатной) основы;

· слоя диэлектрического материала (смесь серебра, иридия, теллура и антимония);

· отражающего слоя металлизации (золото, серебро);

· еще одного слоя диэлектрического материала;

· защитного слоя лака.

Диэлектрические слои служат для отвода тепла при записи информации.

Очень часто в качестве активного слоя используют красители цианина и фталоцианина или их гибридной смеси.

CD-RW диски, как правило, имеют сероватый цвет поверхности, хотя возможны цвета различных оттенков.

Прессованные DVD-диски обозначают как DVD-5, DVD‑9, DVD-10, DVD-18, что примерно соответствует их информационной емкости в гигабайтах. Однократно записываемых и перезаписываемых вариантов DVD-дисков несколько, что является следствием конкурентной борьбы производителей, каждый из которых продвигал на рынок свой стандарт. В настоящее время устоялось два формата – так называемые «плюс» (DVD+R, DVD+RW) и «минус» (DVD-R, DVD-RW). Большинство современных приводов DVD способные читать и записывать оба этих формата.

Данные записываются и хранятся на НОД в различных форматах в зависимости от области их использования. На каждый формат разработан, как правило, свой стандарт. Особенно много таких стандартов для компакт-дисков.

Первый стандарт на компакт-диски был разработан в 1980 году компаниями Philips и Sony и описывал диски, предназначенные для цифровой записи музыки. Он получил название CD-DA (Compact Disk Digital Audio). В стандарте используется формат оцифровки звука: 16-битное аналого-цифровое преобразование с частотой снятия отсчетов 44,1 КГц.

Данные записываются на диски секторами, которые являются минимально адресуемыми единицами информации. Сектор (блок) имеет емкость 2352 байта и состоит из 96 кадров по 24 байта в каждом. У CD-ROMтолько 2048 или 2336 байтов являются информационными, остальные служебные. Число служебных байтов зависит от способа записи. Фактически емкость блока больше, т.к. для уменьшения ошибок чтения/записи используются различные корректирующие коды. Поэтому реальная емкость блока в 3-3,5 раза больше указанной выше. Логически сектора объединяются в дорожку (трек), содержащую до 300 секторов.

НОД считаются долговечными, но и они подвержены разрушению. Несмотря на то, что они устойчивы к воздействию магнитного поля, могут без ущерба для информации содержать неглубокие царапины и мелкие повреждения, следует помнить, что все НОД имеют пластмассовую аморфную основу. Поэтому НОД чувствительны к высокой температуре, а со временем отражающий слой, как и любой аморфный материал, может «потечь», что вызовет потерю информации.

Флэш-память

Флэш-памятьявляется особым видом энергонезависимой, перезаписываемой полупроводниковой памяти. Впервые флэш-память была разработана компанией Toshibaв 1984 г. В 1989-90 году компания Toshiba для названия нового вида памяти употребила слово «flash» в контексте «быстрый, мгновенный» при описании своих микросхем.

Сфера применения флэш-памяти весьма обширна. Она используется в качестве носителя микропрограмм, для хранения BIOS в ПК, в КПК, принтерах, видеоплатах, мобильных телефонах и т.п. Одним из преимуществ флэш-памяти является отсутствие движущихся механических частей, что значительно повышает ее надежность.

Исторически флэш-память происходит от ROM (Read Only Memory) памяти и функционирует подобно RAM (Random Access Memory) памяти.

Рис. 4.24. Ячейка флэш-памяти на одном транзисторе

Данные во флэш-памяти хранятся также в ячейках, похожих на ячейки RAM-памяти, но, в отличие от последней, при отключении питания информация не пропадает. Элемент, хранящий информацию, показан на рис. 4.24. Это один транзистор, у которого под управляющим затвором помещен еще так называемый плавающий затвор (из электрически изолированного поликремния), позволяющий хранить заряд в виде электронов. Количество заряда определяет работу этого транзистора. И это различие в поведении определяет состояние ячейки. Наличие заряда на транзисторе понимается как логический 0, а его отсутствие - как логическая 1.

Рис. 4.25. Чтение логической 1из ячейки флэш-памяти

При чтении логической 1 (рис. 4.25), в отсутствие заряда на плавающем затворе, образуется n-канал в подложке между истоком и стоком, и возникает ток.

Рис. 4.26. Чтение логического 0из ячейки флэш-памяти

Наличие заряда на плавающем затворе (рис. 4.26) меняет вольт-амперные характеристики транзистора таким образом, что при обычном для чтения напряжении канал не появляется, и тока между истоком и стоком не возникает.

Рис. 4.27. Программирование ячейки флэш-памяти

При программировании (рис. 4.27) на сток и управляющий затвор подается высокое напряжение (причем на управляющий затвор напряжение подается приблизительно в два раза выше). «Горячие» электроны из канала инжектируются на плавающий затвор и изменяют вольт-амперные характеристики транзистора. Такие электроны называют «горячими» потому, что они обладают высокой энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, создаваемого тонкой плёнкой диэлектрика.

Рис. 4.28. Стирание ячейки флэш-памяти

При стирании (рис. 4.28) высокое напряжение подаётся на исток. На управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение. Электроны туннелируют на исток. Эффект туннелирования - один из эффектов, использующих волновые свойства электрона. Сам эффект заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой «толщины». Для наглядности представим себе структуру, состоящую из двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика (обеднённая область). Преодолеть этот слой обычным способом электрон не может - не хватает энергии. Но при создании определённых условий (соответствующее напряжение и т.п.) электрон проскакивает слой диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток. Важно отметить, что при туннелировании электрон оказывается «по другую сторону», не проходя через диэлектрик.

В 1992 году группа инженеров компании Intel начала разработки, целью которых было уменьшение удельной площади кремниевой пластины, требуемой для хранения одного бита данных. Было решено использовать только часть транзистора для хранения бита, т.е. транзистор должен хранить не один, а несколько бит данных. Так появилась новая технология Intel StrataFlash, которая позволила хранить два бита на одном транзисторе.

Поведение транзистора флэш-памяти зависит от количества электронов. Операция программирования (заряд плавающего затвора) создает поток электронов между истоком и стоком транзистора. Часть этих электронов набирает достаточное количество энергии, чтобы преодолеть барьер Si-SiO₂ и оказаться запертой на плавающем затворе. Если заряд плавающего затвора у однобитного транзистора меньше 5000 электронов, то это означает, что ячейка хранит логическую 1, а если заряд больше 30000 электронов, то – 0. Заряд ячейки вызывает изменение порогового напряжения транзистора, и при операции чтения измеряется величина этого порогового напряжения, а по нему определяется количество заряда на плавающем затворе.

Возможность сохранять заряд на ячейке дает возможность сохранять несколько бит на одной ячейке. Флэш-ячейка является аналоговым запоминающим устройством, а не цифровым. Она хранит заряд (квантизованый с точностью до одного электрона), а не биты. Поэтому, используя контролируемый метод программирования, на плавающий затвор можно поместить точное количество заряда. При установке заряда в одно из четырех состояний можно запрограммировать два бита данных на одной ячейке. Каждое из четырех состояний соответствует одному из двухбитных наборов. Данная технология получила название MLC (Multilevel Cell – многоуровневая ячейка).

Заметим, что потребление энергии во время работы флэш-памяти примерно в 10-20 раз меньше, чем других носителей информации с движущимися механическими частями.

Несмотря на очевидные преимущества, флэш-память пока не способна вытеснить ни динамическую оперативную память, ни дисковые накопители. Во-первых, флэш-память работает медленнее и, во-вторых,она имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разных типов). Процедуры записи/стирания информации приводят к изнашиванию ячеек флэш-памяти. Поэтому в микросхемах памяти используются для этих целей специальные алгоритмы, обеспечивающие равномерное использование всех ячеек памяти в процессе ее функционирования.

Очень широкое распространение получили т.н. флэш-диски (flash drive), которые подключаются к ЭВМ через шину USB. При соответствующей поддержке операционной системы организованная таким образом флэш-память представляется как съемный дисковый накопитель. При этом объемы флэш-памяти, выпускаемой разными фирмами, различны и составляют от сотен мегабайт до нескольких гигабайт.

Предыдущая 27 28 29 30 31 32 333435 36 37 38 39 40 41 42 Следующая