Чарльз Петцольд - Код. Тайный язык информатики

Первая коммерческая система для записи цифровых компьютерных данных на магнитную ленту была представлена компанией Remington Rand в 1950 году. В то время на катушке ленты шириной в полдюйма (1,27 сантиметра) могло поместиться несколько мегабайт. На заре эры домашних компьютеров люди превращали обычные кассетные магнитофоны в устройства для записи. С помощью небольших программ содержимое блока памяти записывалось на ленту, а позднее считывалось с нее. Первые компьютеры IBM PC предусматривали разъем для кассетного накопителя. Магнитная лента употреблялась для долгосрочного архивирования данных. Тем не менее этот носитель не идеален из-за невозможности быстрого перехода к нужному месту на ленте. Обычно для этого требуется перемотать ее вперед или назад, а это занимает время.

Носителем, обеспечивающим более быстрый доступ к данным, является диск. Сам диск вращается вокруг своей оси, пока над ним перемещается штанга с одной или несколькими головками, благодаря чему доступ к любой области диска осуществляется очень быстро.

Магнитные диски фактически использовались для звукозаписи еще до магнитной ленты. Однако первый диск для хранения компьютерных данных был изобретен в компании IBM в 1956 году. Дисковая система памяти RAMAC (Random Access Method for Accounting and Control) содержала 50 металлических дисков диаметром 60 сантиметров и могла хранить пять мегабайт.

С тех пор размер дисков значительно уменьшился, а емкость увеличилась. Диски обычно делятся на гибкие (floppy, дискеты ) и жесткие (hard, несъемные диски ). Дискета — это пластиковый диск, заключенный в корпус (корпус поначалу делали картонным, затем — пластиковым). Пластиковый корпус не дает дискете гнуться, поэтому она уже не такая гибкая , как раньше, хотя и продолжает называться гибким диском. Для записи и чтения данных с дискеты ее необходимо поместить в специальное устройство под названием флоппи-дисковод . Диаметр первых гибких дисков составлял около 20 сантиметров. В первых компьютерах IBM PC устанавливались гибкие диски диаметром около 13 сантиметров; затем дискеты диаметром около девяти сантиметров. Возможность извлекать эти гибкие диски из дисковода позволяет с их помощью переносить данные с одного компьютера на другой. Кроме того, на дискетах распространялось коммерческое программное обеспечение.

Жесткий диск обычно состоит из нескольких металлических дисков, встроенных в дисковод. Как правило, жесткие диски работают быстрее и вмещают больше данных, чем дискеты, однако их невозможно извлечь.

Поверхность диска разделена на концентрические кольца, называемые дорожками . Каждая дорожка разделена на сектора , которые хранят определенное количество данных, обычно 512 байт. Флоппи-дисковод первого компьютера IBM PC использовал лишь одну сторону 13-сантиметровой дискеты и разделял ее на 40 дорожек по восемь секторов, каждый из которых хранил 512 байт. Таким образом, на каждой дискете находились 163 840 байт, или 160 килобайт. Дискеты 3,5 дюйма, использовавшиеся в PC-совместимых компьютерах, имели две стороны по 80 дорожек и по 18 секторов на дорожку. Каждый сектор такой дискеты хранил 512 байт, что обеспечивало общую емкость в 1 474 560 байт, или 1440 килобайт.

Емкость первого жесткого диска, представленного в 1983 году IBM в компьютере PC/XT, составляла десять мегабайт. В 1999 году менее чем за 400 долларов можно было приобрести жесткий диск емкостью 20 гигабайт (20 миллиардов байт).

Как правило, дискета или жесткий диск предусматривает собственный электронный интерфейс, однако для обмена данными с микропроцессором требуется еще один. Наиболее популярные стандарты интерфейсов для жестких дисков — SCSI (Small Computer System Interface), ESDI (Enhanced Small Device Interface) и IDE (Integrated Device Electronics) [30]. Все эти интерфейсы используют прямой доступ к памяти (DMA) для того, чтобы перехватить управление шиной и осуществлять обмен данными непосредственно между оперативной памятью и диском, минуя микропроцессор. При этом обмен информацией происходит фрагментами, соответствующими размеру дискового сектора, который обычно равен 512 байт.

Многие начинающие пользователи домашних компьютеров, наслушавшись разговоров о мегабайтах и гигабайтах, начинают путать полупроводниковую оперативную память с жестким диском. В последние годы появилось правило, позволяющее избежать путаницы в терминологии. Согласно ему слово «память» следует использовать только для обозначения полупроводниковой оперативной памяти, а термины «накопитель» и «запоминающее устройство» — для обозначения всего остального, то есть дискет, жестких дисков и магнитной ленты. В этой книге я старался придерживаться этого принципа.

Наиболее очевидное различие между памятью и накопителем в том, что память является энергозависимой: она теряет свое содержимое при отключении питания. Накопитель не зависит от питания. Данные сохраняются на дискете или жестком диске до тех пор, пока пользователь не сотрет их или не перезапишет. Тем не менее существует еще одно значительное различие, которое можно заметить, только поняв принцип работы микропроцессора. При подаче адресного сигнала микропроцессор всегда обращается к памяти, а не к запоминающему устройству.

Перемещение данных из накопителя в память для их последующего использования микропроцессором требует дополнительных действий. Для этого микропроцессор должен выполнить небольшую программу, которая осуществляет обращение к диску.

Чтобы понять разницу между памятью и накопителем, можно использовать следующую аналогию: память похожа на рабочий стол. Вы можете работать со всем, что находится на столе. Накопитель подобен шкафу с папками. Если нужна какая-то из папок, вы должны встать, подойти к шкафу, достать нужную и положить ее на стол. Когда на вашем столе оказывается слишком много папок, нужно убрать некоторые из них обратно в шкаф.

Данные на диске хранятся в виде так называемых файлов . За сохранение и извлечение файлов отвечает чрезвычайно важная программа — операционная система .

Наконец мы собрали нечто напоминающее полноценный компьютер, по крайней мере мысленно. Он оснащен микропроцессором, оперативной памятью, клавиатурой, монитором и жестким диском. Все оборудование на месте, и мы с нетерпением смотрим на кнопку включения, которая его оживит. Вероятно, этот проект напомнил, как Виктор Франкенштейн собирал своего монстра, как папа Карло строгал Буратино.

И все же нам чего-то не хватает. И отнюдь не молнии, не заклинаний. Включите этот новый компьютер и скажите, что вы видите.

По мере разогрева электронно-лучевой трубки на экране отобразится массив идеально оформленных, но совершенно случайных символов ASCII. Это мы и ожидали. Полупроводниковая память теряет свое содержимое при отключении питания, а при следующем включении приходит в случайное и непредсказуемое состояние. Вся созданная нами для микропроцессора память RAM — случайный набор байтов. Микропроцессор воспринимает этот набор как машинный код и начинает с ним работать, что не приведет к нежелательным последствиям, в частности компьютер не взорвется, — однако не будет и пользы.