Текст книги "1001 совет по обустройству компьютера"

Глава 4
Сменные носители

В главе 3 «Компьютерные порты» мы говорили о том, что система, состоящая только из процессора и памяти, вполне самодостаточна, но не сможет общаться с внешним миром. Мы рассмотрели ряд способов обеспечения такого общения – клавиатуры и мониторы, компьютерные порты и сети. Сейчас мы обратимся к более традиционному способу связи с окружающей средой, существующему почти с рождения компьютеров, – к сменным носителям информации. И самые первые компьютеры приходилось, как минимум, программировать и получать с них данные, потому даже Чарльз Бэббидж, создавший в XIX веке «аналитическую машину» – механический прототип всех современных вычислительных машин, предусматривал в своей конструкции ввод и вывод данных с перфокарт (а также и то, что мы сегодня называем принтером).

Перфокарты, изобретенные в начале XIX века создателем автоматических ткацких станков Жаккаром, вместе с менее надежными перфолентами прижились в компьютерном деле надолго – лишь в 1970-х годах они были вытеснены магнитными носителями (жесткими дисками и дискетами), но, по слухам, еще в 2000-х годах в военной среде можно было встретить отдельные экземпляры компьютеров, работавших на перфокартах. За последующее время было изобретено и похоронено в анналах истории множество способов хранения информации на самых разных принципах, причем некоторые из них, возможно, похоронены не окончательно. Однако, если не считать магнитных носителей в виде жестких дисков, только два таких способа остались до настоящего времени: это оптические диски (в форме CD и DVD) и постоянная память на основе хранения электрических зарядов (EEPROM), или, как ее чаще теперь называют, флэш-память.

Оптические диски в настоящее время остановились в развитии – появление суперемких носителей в виде Blu-Ray в 2008 году, сопровождавшееся в течение нескольких лет обширной рекламной шумихой, компьютерной индустрией осталось практически незамеченным. И даже в той области, для которой они предназначались – распространение фильмов высокого качества – Blu-Ray отнюдь не стали доминировать, оставшись скорее дорогой игрушкой для счастливых обладателей Sony PlayStation и «навороченных» домашних кинотеатров. А вот старые типы оптических носителей – CD и DVD – уйдут еще нескоро, потому что они идеально приспособлены для централизованного распространения медиаконтента и компьютерных программ. Постепенно уходят они лишь из применений, связанных с многократным использованием для переноса информации, того, для чего когда-то были предназначены дискеты, – флэш-носители оказались для этой цели надежнее, быстрее и удобнее.

Оптический диск представляет собой диск из поликарбоната диаметром 120 мм и толщиной около 1,2 мм с отверстием диаметром 15 мм в центре. Существует и стандарт на 80-миллиметровые мини-диски. Простейший незаписываемый компакт-диск фабричного производства изготавливается в процессе, во многом напоминающем производство виниловых пластинок, – создается матрица, с которой штампуют копии. Сначала делается эталонный диск из стекла, рисунок будущих дорожек на котором вытравливается плавиковой кислотой в процессе, очень напоминающем изготовление печатных плат. Со стеклянного эталона методом гальванопластики изготавливают никелевые матрицы, с помощью которых путем литья под давлением штампуют диски.

Отдельные биты информации при этом представлены на поверхности диска углублениями (pits, часто их по-русски так и называют «питами»), соответствующими логической единице, и промежутками между ними (иногда их называют выпуклостями – bumps), соответствующими логическому нулю. Расположена дорожка питов на верхней стороне прозрачной подложки из поликарбоната, на которую напылением затем наносят отражающий слой (из алюминия или золота). Длина «питов» для компакт-диска 0,83-3,1 мкм, ширина 0,4 мкм, глубина 0,12-0,2 мкм, расстояние между витками спиральной дорожки 1,6 мкм (часто упоминают, что это примерно в 50 раз меньше толщины человеческого волоса). Для DVD питы меньше, а дорожки уже, потому на нем умещается примерно в шесть раз больше информации, чем на обычном CD (4,2 Гбайт против 600–700 Мбайт). Отражающий слой сверху покрывают защитным лаком и допечатывают полиграфическим способом или наклеивают картинку.

Однократно записываемые (R) и перезаписываемые (RW) диски выполняются гораздо сложнее, потому они менее надежны. Между прозрачной основой-подложкой и отражающим слоем (для последнего здесь часто используют серебро, как компромисс между недолговечностью алюминия и дороговизной золота) находится специальный информационный слой из вещества, которое под действием нагревания становится непрозрачным. В RW-дисках это вещество может менять свое состояние неоднократно (по тому же принципу, по которому обратимо засахаривается мед), но для записи новой информации необходима специальная операция стирания. Число циклов стирания и записи у RW-дисков довольно сильно ограничено (несколько сотен), о чем многие не подозревают, однако на практике такие числа никогда не достигаются.

В процессе записи в приводе используют тот же лазер, что и при чтении, – его мощность повышают так, чтобы он прогревал нужный участок-пит до достаточной температуры там, где на диске должна записаться логическая единица. Для облегчения формирования дорожки при записи на CD-R в процессе изготовления «болванки» осуществляется предварительная разметка – рельеф, содержащий метки кадров и биты синхронизации, записанные с пониженной амплитудой и впоследствии перекрываемые записываемым сигналом.

Надежность и долговечность дисков падает в ряду фабричный-однократный-перезаписываемый, поэтому для долговременного хранения информации лучше употреблять однократно записываемые диски. Хранить их следует в темноте и вдали от химически активных растворителей или кислот (почему-то я никогда не встречал рекомендацию хранить перезаписываемые компакт-диски в холодильнике, как старинные магнитные ленты, хотя это было бы логично). Обращаться с ними следует с осторожностью – брать только за края и стараться не ронять на грязный пол, отчего могут возникнуть царапины. Вообще-то небольшое количество царапин диску вредить не должно, но на практике это наблюдается лишь для аудиоформатов, для которых утрата части данных не критична.

Существует поистине огромное количество форматов записи на оптический диск, из которых на практике имеет значение лишь разница между тремя основными разновидностями, это аудиодиски, видеодиски и диски с данными (или диски с набором файлов).

Кратко остановимся на каждом из типов.

♦ Аудиодиски (обычно это CD) характеризуются тем, что не содержат файлов в компьютерном смысле этого слова. Точнее, файлы на них вы обычно обнаружите, но это лишь вспомогательная информация об основном содержимом таких дисков – звуковых треках. Трек представляет собой единую (т. е. без разрывов) спиральную дорожку, содержащую цифровые данные, записанные с частотой дискретизации 44,1 кГц и глубиной представления звука в 16 битов (65 тыс. градаций). В классическом аудиодиске эти данные не подвергнуты сжатию никаким из алгоритмов и содержат информацию всего о двух каналах – т. е. представдяют собой стереозвук. Обычно в таких случаях говорят о «CD-качестве» звучания, которое немногим отличается от стандартной виниловой пластинки.

♦ Видеодиски в настоящее время можно встретить практически лишь в формате DVD-Video (если не считать более качественного Blu-Ray). Они ближе к компьютерным формам записи информации и содержат набор файлов определенных форматов. Фильмы на DVD сжаты с использованием алгоритма MPEG-2 для видео и различных (часто многоканальных) форматов для звука. Стандартный размер видеокадра для формата DVD стандарта PAL равен 720x576 точек, стандарта NTSC – 720x480 точек, широкоэкранные форматы образуются из этих кадров усечением кадра по высоте. Потому DVD-Video имеют не слишком высокое качество записи изображения, но для бытовых целей оно устраивает большинство потребителей (потому-то намного более качественные, но и дорогие, диски Blu-Ray не получили пока широкого распространения). Есть и диски DVD-Audio – они похожи на DVD-Video по принципу устройства и содержат намного более качественный звук, чем и Audio CD, и обычные компьютерные форматы, вроде MP3.

♦ Диски с данными содержат обычные файловые системы, аналогичные тем, что применяются на компьютерных жестких дисках, и потому могут содержать любую информацию: в том числе и аудио, и видео, но на этот раз в виде обычных файлов. Для хранения звука широко известен компактный формат MP3, для хранения видео обычно используются различные файлы-контейнеры (самый известный – AVI, к контейнерам также относятся такие форматы, как MP4 или, например, Flash Video), в которых может содержаться звуковая и видеоинформация в самых различных форматах. Многие бытовые плееры, видеомагнитофоны или музыкальные центры также могут проигрывать видео или аудио в компьютерных форматах.

Файловые системы на дисках с данными специфичны именно для этого вида носителей, и разница между ними имеет практическое значение лишь потому, что Windows продвигает свою любимую систему UDF и не очень вежливо обращается с другими (вроде распространенной Joilet). Но читать диски, записанные в любой такой системе, могут все программы и приводы, потому на практике не стоит этому специально уделять внимание.

Наконец, пользователю следует усвоить понятие сессии. Технология записи на оптический диск такова, что она не может прерываться, – вся информация на таком диске должна записываться в виде одной непрерывной дорожки, как на грампластинке. Если же запись прервать и начать заново, то придется записывать новую дорожку – или, как говорят, новую сессию. Диск, содержащий много таких сессий (мультисессионнный), не всегда может корректно читаться на старых приводах. В DVD и современных носителях Blu-Ray фабричного изготовления иногда разные сессии создают специально: например, в одной из них записывают обычное изображение телевизионного качества, в другой, зашифрованной – качества HDTV. Каждая сессия помечается при записи на диске специальными метками: lead-in в начале и lead-out в конце. Если метка lead-out не стоит, то такая сессия называется «незакрытой», и на диск можно дописывать данные в других сессиях.

На практике это имеет значение вот в каких случаях: во-первых, дополнять «закрытый» диск новыми данными не удастся. В большинстве случаев вы даже не сможете определить, сколько на нем свободного места, – он будет выглядеть как записанный полностью, до последнего байта. Потому все диски, которые можно дополнять (создавать новые сессии), оказываются «незакрытыми». Наоборот, видео– и аудиодиски всегда «закрывают», потому что плееры не «поймут» диска, в котором сессия не закрыта.

Как видим, запись оптических дисков разительно отличается от записи на жесткие диски или даже на флешки. Оптический диск представляет собой типичное устройство последовательного доступа – такое, в котором произвольный доступ к отдельным байтам невозможен. Чтобы перезаписать какой-то байт на таком диске, нужно сначала стереть весь диск и записать его заново. Чтобы сэкономить место и время, на практике разные программы используют такой прием – в новой сессии записывается только измененная информация (при этом старые варианты модифицированного файла благополучно остаются на диске, занимая место), а затем из старых сессий в новую переносится таблица размещения данных (Table of Contents, ТОС) таким образом, чтобы неизмененные файлы были доступны из новой сессии на своих старых местах, без перезаписи.

Образ диска

Образ – это файл (чаще всего с расширением iso, но нередко программы записи формируют и свои собственные разновидности образов: NRG, BIN, CIF, IMG и пр.), который содержит бинарную копию («бит в бит») всех данных, которые записываются на диск в составе одной сессии. Образ в некотором роде аналогичен сжатому ZIP-файлу, в котором тоже в едином файле может содержаться целый раздел диска, включающий много файлов и папок. Образ можно создать из сформированного проекта (нечто аналогичное печати «в файл»), либо получить, скопировав содержимое имеющегося диска. Создание образа служит одним из самых удобных способов копирования дисков, потому что в образе сохраняется даже загрузочная информация, если она есть. Разумеется, чтобы записать новый диск при наличии образа, требуется программа, которая образы эти «понимает» (о записи образов см. далее). Некоторые пользователи пытаются записать ISO-образ, как файл в составе нового проекта, и, естественно, терпят неудачу – перед «прожигом» программа формирует новый образ, полагая старый просто данными, в результате чего на диск записывается полная каша.

На диске к этой книге в папке Compact Disk размещена одна из бесплатных программ записи на CD и DVD – находящаяся на пике популярности уже в течение более шести лет Small CD Writer. Созданная еще в 2005 году программистом по имени Анатолий Вознюк, она совершенно не потеряла актуальности, а минималистский интерфейс, в котором нет ничего лишнего, зато есть все необходимое, только привлекает пользователей. Она состоит из одного-единственного файла, ее не надо устанавливать, она не полезет Сеть искать обновления, не внесет дополнительного мусора в реестр и не будет капризничать в любой версии Windows.

Small CD Writer умеет создавать, однако, только диски с данными, а также копировать имеющиеся диски через создание ISO-образа. Специфические форматы аудио– или видеодисков Small CD Writer создавать не умеет – для этого требуются другие программы.

Однако этот вопрос по настоящему актуален только в Windows XP. Современные версии Windows по понятным причинам все равно не могут копировать диски, и для создания ISO-образа (или копирования напрямую) потребуются сторонние программы. А все остальное: и запись дисков с данными, и создание аудио– и видеодисков – они прекрасно выполняют встроенными функциями.

В Windows XP тоже можно записывать, как минимум, компакт-диски с данными (о существовании DVD она не осведомлена, кроме их простого чтения). Однако в ней это реализовано крайне неудобно – в два неочевидных этапа, на первом из которых файлы только готовятся для записи (в других программах это назвали бы подготовкой проекта), а потом собственно «прожига», причем управлять этим процессом приходится вручную, даже мастер записи компакт-дисков лишь подскажет, куда обращаться. В новых ОС запись на оптические диски реализована значительно удобнее, и поддерживаются все форматы, причем в Windows 7 это организовано еще лучше, чем в Vista.

При вставке в лоток привода чистого диска Windows сама предложит варианты самых распространенных действий (рис. 4.1). В подробности этого процесса, ввиду многочисленности вариантов, мы вдаваться не будем, отметим только, что аудио– и видеодиски (в том числе диски с наборами фотографий – слайдшоу с музыкальным сопровождением) могут потом проигрываться на любом воспроизводящем устройстве. А запись файлов на диск с данными происходит в файловой системе UDF (Vista называет это «живая файловая система»), и сессия при этом не закрывается (диск оказывается мультисесионным), потому дополнять такие диски гораздо проще и быстрее, чем записывать их с нуля. Полноценно работать с уже созданными в других программах подобными дисками (например, в файловой системе Joulet), Windows, к сожалению, не умеет – прочесть сможет, а для записи диск придется переформатировать.

Рис. 4.1. Варианты действий, предлагаемые Windows 7 для чистого CD (слева) и чистого DVD (справа)

Диск, на котором уже есть записи, можно просто стереть (выбрав из контекстного меню привода в окне Компьютер пункт Стереть этот диск), а в новых системах можно в один прием записать на него новые данные, при этом стирание осуществится автоматически. Если в Windows XP у вас в контекстном меню значка нет такого пункта, то обратитесь к пункту Свойства для данного привода, перейдите там на вкладку Запись, и отметьте пункт Разрешить запись CD на этом устройстве.

Проблемы с очищенным диском

В некоторых случаях перезаписываемый DVD, стертый процедурами очистки Windows Vista или «семерки», перестает потом распознаваться в Windows XP и даже в самих этих системах. Не спешите его выбрасывать – на самом деле диск вполне исправный, просто Windows запуталась в форматах. Рецепт преодоления этого препятствия такой: запустите Small CD Writer и очистите с его помощью диск еще раз, причем через операцию Полная очистка. Продолжаться этот процесс для DVD может довольно долго (минут пятнадцать), причем может показаться, что программа просто зависла. Тем не менее, дождитесь окончания процедуры (исчезнет окно с сообщением об идущей очистке), затем закройте Small Cd Writer, обратитесь к значку Компьютер и в контекстном меню оптического диска выберите пункт Форматировать. По умолчанию Windows отформатирует диск в системе UDF 2.1, и он станет доступен во всех системах.

Windows 7, наконец, научилась записывать диски из ISO-образов, разворачивая их содержание на «болванку», – при щелчке на файле ISO-образа вы получите предложение, показанное на рис. 4.2. Vista сама по себе этого не умеет (не говоря уж про XP), но мне с предустановленной системой Vista в ноутбуке Toshiba достался Toshiba Disk Creator, который реагировал в том числе и на файлы ISO. А вот создавать ISO-образы имеющегося диска, как мы уже говорили, никакая из Windows не может, и для этого понадобятся сторонние программы, вроде Small CD Writer или весьма навороченной (и к тому же платной, но зато умеющей абсолютно все) программы Nero Burning ROM.

Рис. 4.2. Предложение Windows 7 по записи ISO-образа

О создании некоторых специфических дисков (например, загрузочных или так называемых Live CD) мы еще поговорим в главе 8 «Установка Windows».

Первые постоянные запоминающие устройства (Read-Only Memory, ROM) не позволяли изменять однажды записанную информацию. В 1956 году сотрудник корпорации American Bosch Arma Йен Чоу (Wen Chow) получил патент на устройство, которое теперь известно, как «однократно программируемое ROM» (OTPROM). В этом патенте, между прочим, впервые был употреблен термин «прожиг» (burn) – микромодуль состоял из матрицы с плавкими перемычками, которые при программировании пережигались подачей на них большого напряжения. Любопытно, что этот способ вполне дожил до наших дней – не меньше четверти микроконтроллеров (т. е. специализированных микропроцессоров) в мире, особенно из тех, что попроще, еще лет пять назад выпускались именно с такой однократно программируемой встроенной памятью – ввиду крайней ее дешевизны. В самом деле, если программа какой-нибудь игрушки отработана на опытных образцах, зачем ее, однажды записанную, потом менять, и кто этим будет заниматься? И лишь в последние годы «прожигаемая» память стала постепенно вытесняться более удобной flash-памятью – когда последняя подешевела настолько, что смысл в использовании OTPROM почти пропал.

В 1967 году в незабвенной Bell Labs был построен первый образец EPROM – энергонезависимой памяти, которую можно было неоднократно перепрограммировать (стирая информацию ренгеном). В 1971 году (одновременно с изобретением первого микропроцессора) фирма Intel разработала первый коммерческий образец EPROM (чип 1701 и его немного усовершенствованный вариант 1702), который стирался ультрафиолетовым светом через специальное окошко и потому получил название UV-EPROM. В 1974 году в Intel пришел некто Джордж Перлегос (George Perlegos), грек по происхождению и будущий основатель компании Atmel. Под его непосредственном руководством была разработана микросхема EEPROM под названием 2816 – чисто электрически перепрограммируемое ПЗУ. Это и был прообраз сегодняшней flash-памяти. Основой и EPROM, и EEPROM стал транзистор с плавающим затвором, изобретенный в той же Intel Доном Фрохманом (Don Frohman). И в последующем, несмотря на смены технологических эпох, принцип устройства ячейки энергонезависимой памяти остался неизменным – какой бы способ стирания и записи ни использовался.

Некоторые термины и аббревиатуры, относящиеся к памяти

RAM (Random Access Memory) – память с произвольным доступом. На самом деле это любая память, содержимое которой уничтожается при выключении питания (в чистом виде, без приставок, сокращение RAM часто применяется для обозначения основной памяти ПК). Русское наименование: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – следует признать более соответствующим смыслу, т. к. термину «с произвольным доступом» соответствуют и многие типы EPROM.

DRAM (Dynamic RAM) – динамическая RAM. Так называют электронную память, которая требует постоянного восстановления (регенерации) своего содержимого даже при включенном питании. По-русски: динамическое ОЗУ или ЗУПВ (запоминающее устройство с произвольной выборкой). Хотя последнее есть фактически перевод более общего термина RAM, но применяется оно обычно к динамической ее разновидности.

SRAM (Static RAM) – статическая RAM, статическое ОЗУ. Энергозависимая память, построенная на триггерах, и потому, в отличие от DRAM, регенерации не требующая, но намного более дорогая и менее емкая в расчете на единицу площади кристалла.

ROM (Read-Only Memory) – память только для чтения. Русское название – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – более соответствует смыслу, т. к. термин относится ко всем видам энергонезависимой памяти, а не только к тем, что для «чтения» (т. е. и к перезаписываемым тоже – напр., к EEPROM). В чистом виде сокращение ROM употребляется редко.

PROM (Programmable ROM) – программируемое ПЗУ (ППЗУ). В чистом виде, без приставок, обычно относят к OTPROM (One Time Programmable ROM) – однократно программируемое ПЗУ. К PROM также относят такую разновидность, как масочное ПЗУ – вариант OTPROM, который программируется не самим пользователем, а прямо на фабрике в процесс изготовления.

EPROM (Erasable Programmable ROM) – стираемая/программируемая ROM. По-русски ее часто называют ПППЗУ, перепрограммируемое ПЗУ. Иногда употребляется, как синоним ультрафиолетовой UV-EPROM.

EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) – электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ, ЭСППЗУ.

Flash memory (от flash – вспышка, молния) – первоначально термин придуман для обозначения прогрессивной разновидности EEPROM, в которой чтение/запись для ускорения процесса производятся сразу целыми блоками. Позднее (когда медленная EEPROM почти исчезла из обращения) стал фактическим синонимом EEPROM, и теперь обозначает любые разновидности ЭСППЗУ.

Обновление информации в микросхемах EEPROM – страшно медленный процесс. Во-первых, каждую ячейку требуется сначала стереть – ведь запись, т. е. помещение на плавающий затвор зарядов тем или иным способом, лишь приводит ее в состояние «логического 0», а восстанавливать «логическую 1» приходится отдельно. Во-вторых, из-за большого потребления тока в процессе записи приходится каждую ячейку записывать фактически отдельно, а т. к. этот процесс занимал миллисекунды, то для перезаписи даже сравнительно небольших массивов требовались уже секунды. Правда, чтение из EEPROM – процесс очень быстрый, даже быстрее, чем из обычной компьютерной памяти DRAM.

Термин «flash-память» придумал в июне 1984 года некто Шойи Аризуми (Shoji Ariizumi), сотрудник корпорации Toshiba, уже после того, как его руководитель доктор Фуджио Масуока (р. 1943) послал сообщение о новом, изобретенном им типе энергонезависимой памяти на конференцию разработчиков электронных приборов IEDM в Сан-Франциско. Причем в сообщении Масуоки содержится описание сразу обеих главных современных архитектур flash-памяти: как NOR, так и NAND.

Флэш-память (будем в дальнейшем ее так, по-русски, и называть) отличается от обычной EEPROM тем, что запись (и стирание) в ней производятся целыми блоками, обычно равными классическому размеру сектора на жестком диске – 512 байтов. Это значительно ускоряет процесс записи, но одновременно придает флэш-памяти элементы устройства последовательного доступа, когда для перезаписи одного байта приходится перезаписывать целый блок. Для обычных применений флэш-памяти – в качестве носителей медиаинформации – это небольшой недостаток, к тому же она в этом отношении не отличается от жестких дисков. В такой схеме записи некий массив данных готовится заранее (помещается в специальный временный буфер SRAM, который имеется на том же кристалле, что и основная память), затем все нужные ячейки разом стираются, и разом же в них записывается информация из буфера. В современных типах флэш-памяти скорости чтения и записи практически сравнялись, а емкость отдельных устройств доведена до 32128 Гбайт и даже до 160–250 Гбайт для твердотельных жестких дисков.

Крупнейший недостаток флэш-памяти – ограниченное в сравнении с магнитными носителями или обычной памятью число циклов перезаписи информации, обычно на уровне нескольких десятков тысяч, в крайнем случае сотен тысяч. В жестком диске такой ресурс мог бы исчерпаться за несколько недель или месяцев. Для того чтобы обойти эту проблему, используют метод равномерного распределения записываемой информации по объему карты. В некоторых устройствах, имеющих собственный встроенный контроллер (твердотельные жесткие диски, карты Secure Digital, Compact Flash, USB-накопители), это обеспечивает само устройство, для других были созданы специальные файловые системы: exFAT для Windows и JFFS2 и YAFFS для GNU/Linux.

Наиболее распространены три типа потребительских устройств на основе флэш-памяти: флэш-карточки, флэш-накопители и твердотельные диски. Кратко рассмотрим каждый из типов и их потребительские свойства.