Хранение информации

БОЛЬШАЯ ЛЕНИНГРАДСКАЯ БИБЛИОТЕКА - РЕФЕРАТЫ - Хранение информации

Хранение информации

Министерство науки и образования Украины

Славянский государственный педагогический университет

2. Хранение информации

Компьютер, программа, интерфейс

Персональный компьютер -- это электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и передачи информации.

Слово электронный в данном определении не очень принципиально. История техники знает и электрические, и механические устройства для обработки информации. Электронный -- это просто констатация факта. Именно электронные устройства достигли производительности в сотни миллионов операций в секунду, и именно они сегодня составляют парк мировой вычислительной техники.

Значительно более важным в этом определении является слово автоматизация. Компьютеры отличаются от механических устройств (арифмометров) и электрических счетных приборов тем, что работают по заложенным в них программам. Программа -- это упорядоченная последовательность команд.

На первый взгляд может показаться, что если человек работает с компьютером, то компьютер работает не автоматически, а под управлением человека и программы здесь ни при чем. Но это не совсем так. С первой и до последней минуты в компьютере автоматически работает множество программ, благодаря которым и обеспечивается общение с человеком. Это программы отвечают за все, что мы видим на экране, и за все, что мы можем сделать. Каждую секунду компьютер обрабатывает лишь несколько команд, полученных от человека, и в это же время он успевает исполнить миллионы команд, полученных от загруженных в него программ. Поэтому мы и говорим, что компьютер работает автоматически.

Взаимодействие между компьютером и человеком с помощью программ называется программным интерфейсом.

Физические устройства, с помощью которых человек управляет программами и получает информацию от компьютера (клавиатура, мышь, монитор и прочее), называются аппаратным интерфейсом.

Состав компьютерной системы

Компьютер -- прибор модульный. Он состоит из различных устройств (модулей), каждое из которых выполняет свои задачи. Поскольку компьютер предназначен для создания, передачи (приема), хранения и обработки информации, то у него должны быть блоки, предназначенные для каждой из этих задач.

Устройства компьютера бывают внешние и внутренние. Блоки внешних устройств мы видим на столе и можем их потрогать. К ним относятся:

* системный блок (в нем хранятся внутренние устройства);

* монитор (служит для выдачи информации в текстовом или графическом виде);

* клавиатура (служит для ввода символов и команд);

* манипулятор «мышь» (предназначен для ввода команд).

Если этих основных устройств недостаточно, то для выполнения специальных задач к компьютеру подключают дополнительное оборудование. Оно тоже может быть внутренним (тогда его вставляют в системный блок) или внешним (подключается с помощью разъемов). Дополнительное внешнее оборудование называют периферийным оборудованием. Принтер для печати информации на бумаге -- это пример периферийного оборудования.

Оперативная память компьютера

В компьютере тоже есть несколько средств для хранения информации. Самый быстрый способ запомнить данные -- это записать их в электронные микросхемы. Такая память называется оперативной памятью. Оперативная память состоит из ячеек. В каждой ячейке может храниться один байт данных.

У каждой ячейки есть свои адрес. Можно считать, что это как бы номер ячейки поэтому такие ячейки еще называют адресными ячейками. Когда компьютер отправляет данные на хранение в оперативную память он запоминает адреса в которые эти данные помещены. Обращаясь к адресной ячейке компьютер находит в ней байт данных.

Данные в оперативной памяти хранятся байтами. Количество байтов которые можно сохранить в оперативной памяти зависит от ее объема. Объем оперативной памяти измеряют килобайтами (Кбайт) или мега байтами (Мбайт).

Двумя байтами (от 0 до 255) можно записать адрес для 65 536 ячеек памяти for 0 до 65535). Для большего количества ячеек адрес должен иметь больше байтов.

Условно считаю, что килобайт равен тысяче байтов. На самом деле 1 Кбайт равен 210 то есть 1024 байтам.

Точно так же считают, что один мегабайт равен тысяче килобайтов или миллиону байтов хотя более точно 1 Мбайт = 1024 Кбайт = 1 048 576 байтам (220).

Регенерация оперативной памяти

Адресная ячейка оперативной памяти хранит один байт, а поскольку байт состоит из восьми битов, то в ней есть восемь битовых ячеек. Каждая битовая ячейка микросхемы оперативной памяти хранит электрический заряд.

Заряды не могут храниться в ячейках долго -- они «стекают». Всего за несколько десятых долей секунды заряд в ячейке уменьшается настолько, что данные утрачиваются.

Что делает человек, чтобы не забыть информацию? Он регулярно ее повторяет. То же делает и компьютер. Десятки раз в секунду он проверяет, что содержится в ячейках памяти и «подзаряжает» каждую ячейку (как бы повторяет запись). Это называется регенерацией оперативной памяти.

Регенерация памяти происходит очень быстро. Мы не замечаем, как каждую секунду несколько раз обновляются мегабайты памяти, но стоит только на мгновение отключить питание компьютера, как регенерация прекратится. Даже кратковременное исчезновение напряжения в сети приводит к стиранию оперативной памяти и «сбросу» компьютера.

Память на магнитных дисках

Микросхемы оперативной памяти запоминают и выдают данные очень быстро, поэтому они хороши для обработки информации, но для длительного хранения данных они не годятся -- здесь нужны другие способы.

Когда человеку надо что-то прочно запомнить, он использует записную книжку. Компьютер тоже имеет "записные книжки" -- это магнитные диски.

Магнитные диски бывают двух типов -- гибкие и жесткие. Гибкие диски (дискеты) имеют не очень большую емкость и работают сравнительно медленно, но их можно переносить с одного компьютера на другой. Жесткие диски обладают большой емкостью, но они располагаются внутри системного блока и их нельзя переносить. Диск вращается с огромной скоростью, а над магнитной поверхностью парит на воздушной подушке магнитная головка, которая записывает и считывает биты и байты данных. Корпус жесткого диска закрыт кожухом, снимать который нельзя иначе попавшие микрочастицы пыли со временем выведут диск из строя.

Структура данных на магнитном диске

Чтобы данные можно было не только записать на жесткий диск, а потом еще и прочитать, надо точно знать, что и куда было записано. У всех данных должен быть адрес. У каждой книги в библиотеке есть свой зал, стеллаж, полка и инвентарный номер -- это как бы ее адрес. По такому адресу книгу можно найти. Все данные, которые записываются на жесткий диск, тоже должны иметь адрес, иначе их не разыскать.

Если запоминать отдельно каждый адрес, в который были записаны байты данных, то хранить эти адреса станет труднее, чем сами данные. К счастью, мы уже знаем, что информация хранится не байтами, а файлами. Файл -- наименьшая единица хранения данных. Каждый файл на диске имеет свой адрес. Если нам нужна какая-то информация, компьютер находит на диске нужный файл, а потом байт за байтом считывает из него данные в оперативную память, пока не дойдет до конца файла.

Чтобы у каждого файла на диске был свой адрес, диск разбивают на дорожки, а дорожки, в свою очередь, разбивают на секторы. Размер каждого сектора стандартен и равен 512 байтам. Разбиение диска на дорожки и секторы называется форматированием диска. Его выполняют служебные программы. Форматирование диска чем-то похоже на разлиновывание тетради. Как и для тетради, форматирование диска нужно выполнить только один раз.

Самая первая дорожка магнитного диска (нулевая) считается служебной -- там хранится служебная информация. Например, на этой дорожке хранится так называемая таблица размещения файлов (FAТ-таблица). В этой таблице компьютер запоминает адреса записанных файлов. Когда нам нужен какой-то файл, компьютер по его имени находит в этой таблице номер дорожки и номер сектора, после чего магнитная головка переводится в нужное положение, файл считывается и направляется в оперативную память для обработки.

Если таблица размещения файлов почему-то будет повреждена, то информация, имевшаяся на диске, может быть утрачена. На самом деле она там, конечно, остается, но к ней нельзя обратиться. Поэтому таблица размещения файлов для надежности дублируется. У нее есть копия, и при любых повреждениях компьютер сам восстанавливает эту таблицу. Благодаря этому с компьютером можно работать годами и не терять данные.

Размещение файлов на жестком диске

Сколько файлов может поместиться на жестком диске? Ответ кажется простым. Чем больше диск и чем меньше файлы, тем больше их поместится. До недавних пор так обычно и считали, но в последние годы, когда размеры жестких дисков стали очень большими, с размещением файлов, как ни странно, появились проблемы.

У каждого файла есть свой адрес. Этот адрес записан в таблице размещения файлов двухбайтным числом, то есть, на запись этого адреса предоставлено 16 битов. (Кстати, поэтому таблицу размещения файлов еще называют FAT 16). Мы уже знаем, что с помощью 16 битов можно выразить 216 (65536) разных значений. Это значит, что файлам на жестком диске не может быть предоставлено более, чем 65 536 разных адресов (и самих файлов не может быть более 65536).

Современные жесткие диски имеют очень большие объемы, и им не хватает такого количества адресов. Если, например, размер диска 2 Гбайт (два миллиарда байтов), то на каждый адрес приходится 2 Гбайт / 65 536 = 32 Кбайт.

Представьте себе, что в городе строят только квартиры размером в 32 000 комнат. В таком помещении можно разместить целую армию, но когда семья из трех человек придет получать жилплощадь, ей тоже придется выдавать такую же квартиру. И даже один человек тоже получит 32 тысячи комнат.

Не правда ли, это очень нерациональный расход полезного пространства? Людей, конечно, можно было бы друг к другу подселить, но с файлами так поступать нельзя, ведь каждый файл должен иметь собственный уникальный адрес.

Мы только что вывели новую единицу измерения. Это минимальный размер адресуемого пространства. Такая единица измерения действительно существует и называется кластером. Мы видим, что для жестких дисков, имеющих размер 2 Гбайт, кластер равен 32 Кбайт. Если диск меньше, то и кластер у него тоже меньше. Для дисков 1 Гбайт кластер равен 16 Кбайт.

У современных дисков кластер намного больше сектора, который равен 0,5 Кбайт. В одном кластере могут содержаться десятки секторов, и, каким бы маленьким ни был файл, он все равно займет целый кластер, и все неиспользуемые секторы в нем просто пропадут.

Связь между размером жесткого диска и размером кластера

Размеры кластеров для FAT 32

Диски физические и логические

Все, кто работают с компьютером, привыкли ценить рабочее место на жестком диске. Чем больше диск, тем больше полезных и интересных программ и данных можно на нем разместить. С другой стороны, получается, что чем больше жесткий диск, тем больше места на нем пропадает впустую из-за несовершенной системы адресации файлов.

Для борьбы с нерациональными потерями жесткий диск разбивают на несколько разделов. Для этого есть специальные программы. Например, на жестком диске, имеющем размер 2 Гбайт, создают четыре раздела по 0,5 Гбайт. Каждый такой раздел можно рассматривать как один отдельный логический жесткий диск.

Обычный жесткий диск -- это устройство физическое. Его можно установить или удалить. Логический жесткий диск нельзя потрогать руками -- физически он не существует. Это просто один из разделов физического диска. Работая с компьютером, мы не замечаем разницу между физическими и логическим дисками.

Каждый логический диск имеет собственную таблицу размещения файлов, поэтому на нем действует своя система адресации. В итоге потери из-за размеров кластеров становятся меньше.

Имена дисков

Каждый диск, присутствующий на компьютере, имеет уникальное имя. Неважно, что это за диск: физический, или логический, или еще какой (забегая вперед, скажем, что бывают и другие виды дисков) -- у него обязательно должно быть имя. Имя диска состоит из одной буквы английского алфавита и двоеточия, например А: или, скажем, F:.

Когда на компьютере устанавливается новый жесткий диск, он получает букву, следующую за последней использованной буквой. То же самое происходит и при создании нового логического диска на уже установленном физическом диске.

Буквой А: общепринято обозначать дисковод для гибких дисков.

Буквой С: обозначается первый жесткий диск. Следующий диск получает букву D:, потом Е: и так далее.

Здесь пропущена буква В:. Она зарезервирована на тот случай, что в компьютере может быть не один, а два дисковода гибких дисков.

Адрес файла. Понятие о каталоге

Тот факт, что на жестком диске (физическом или логическом) можно сохранить более 65 тысяч разных файлов, еще не означает, что именно так и надо поступать. В портфель тоже можно положить пятьсот отдельных листочков, но так не делают. С тетрадками и книжками работать удобнее.

Для удобства работы с файлами на диске создаются каталоги. Если внутри одного каталога лежит другой, то их имена отделяются друг от друга обратной косой чертой (\). Каждый сам создает себе на диске такие каталоги, какие ему удобны.

Например, на диске С: можно создать следующие каталоги:

С:\Проекты

С:\Статьи

С:\Архивы

Если каталог лежит внутри другого каталога, он называется вложенным.

В каталоге \Проекты можно создать, например, каталоги \Авиация, \Космос, \Компьютеры, а внутри каталога \Космос можно создать каталоги \Венера, \Марс и прочие. Тогда файл, в котором хранится картинка с вулканами Венеры, полученная из Интернета, может иметь следующий адрес:

С:\Проекты\Космос\Венера\имя файла

С тем, как правильно записываются имена файлов, мы познакомимся позже, когда узнаем, что такое операционная система. Дело в том, что в разных операционных системах разные правила записи имен файлов.

Адрес файла еще называют путем доступа к файлу или путем поиска файла. Зная такой адрес (путь), нетрудно найти любой файл из имеющихся на компьютере. Надо только знать, где что лежит. Но это уже задача не для компьютера, а для человека. Если мы иногда наводим порядок в ящике письменного стола или в портфеле, то почему бы и не наводить порядок на жестком диске, раскладывая файлы по тем каталогам, в которых их удобнее хранить.

Контрольные вопросы

1. Назовите общие черты информатики и других известных вам наук.

2. Можно ли считать квадрат цифровым представлением окружности? Можно ли считать правильный восьмиугольник (шестнадцатиугольник) цифровым представлением окружности? Как вы думаете, в чем между ними разница?

3. Двоичный код использует биты (0 или 1) для представления информации. Можете ли вы привести пример из жизни, где используется троичное кодирование?

4. В байте 8 битов, и потому байтом можно выразить числа от 0 до 255. Какие числа можно было бы выразить байтом, в котором только 6 битов?

5. Если компьютер одновременно отображает на экране 16 разных цветов, то сколько битов данных необходимо на кодирование цвета каждой точки экрана? Сколько в этом случае потребуется байтов, чтобы запомнить в компьютере квадратный рисунок, длина стороны которого равна 100 точкам?

6. Что общего в записи текстовой, графической и музыкальной информации двоичным кодом? В чем вы видите разницу?

7. Информацию на компьютере хранят в виде файлов. Как вы думаете, в каком случае роль файла важнее: при записи информации или при ее чтении?

8. С помощью каких предметов в классе обеспечивается интерфейс между учителем и учениками?

9. В чем вы видите достоинства и недостатки оперативной памяти компьютера? В чем достоинства и недостатки гибких и жестких дисков?

10. Устройства для хранения данных на магнитных лентах работают крайне медленно. Как вы думаете, почему люди готовы с этим мириться?