MoniSoft
10th June 2011, 11:34 PM
مقدمه به هر وسيله اي كه توانايي حفظ و نگهداري اطلاعات را داشته باشد به گونه اي كه كاربر بتواند در هر زمان به داده ها ي آن دستيابي ( access ) داشته باشد را حافظه مي گويند .
حافظه ها به دو دسته كلي تقسيم مي شوند : 1- حافظه اوليه (اصلي – درون ماشيني) كه پردازنده جهت اجراي برنامه ها مستقيما با آن سر و كار دارد .2- حافظه ثانويه ( جانبي- برون ماشين ) كه جهت ضبط اطلاعات فايل ها به كار مي روند .ما در اين مقاله تنها با حافظه هاي جانبي سر و كار داريم و از يك نظر مي توان گفت سيستم هاي كامپيوتري از دو بخش محيط درون ماشيني و محيط برون ماشيني تشكيل يافته اند . منظور از محيط درون ماشيني پردازنده . حافظه اصلي و عناصر داخلي كامپيوتر است و منظور از محيط درون ماشيني تجهيزات جانبي آن مثل هارد ديسك پرينتر و غيره مي باشد .
ما در اين مقاله با ذخيره سازي اطلاعات بر روي تجهيزات برون ماشيني سر و كار داريم .
ويژگي هاي كلي حافظه
فرار و غير فرار : حافظه هايي كه با رفتن برق اطلاعات آنها از بين مي رود حافظه هاي فرار
( Volatile ) و آنهايي كه با رفتن برق داده هاي خود را حفظ مي كنند غير فرار ( non volatile ) مي باشند و حافظه هاي اصلي اغلب فرار و حافظه هاي جانبي غير فرار مي باشند.
خواندني يا نوشتني : بعضي حافظه ها مثل RAM يا هارد ديسك خواندني نوشتني هستند . ولي بعضي ديگر مثل CD_ROM فقط خواندني هستند . به خواندن اطلاعات از حافظه اصطلاحا واكشي يا fetch گفته مي شود .
آدرس دهي : هر حافظه اي داراي يك شيوه آدرس دهي مي باشد كه به كمك آن خانه هايش دستيابي مي گردد . مثلا حافظه RAM آرايه اي از بايتهاست كه هر كدام يك آدرس ( عدد يكتا ) دارند . يا هارد ديسك به صورت سه جفت عدد ( شماره هد- شماره سيلندر – شماره سكتور ) آدرس دهي مي شوند .
ظرفيت : ظرفيت حافظه بر حسب بيت يا بايت بيان مي گردد .
زمان دستيابي ( Access time ) : از لحظه اي كه دستور خواندن و نوشتن داده مي شود تا هنگامي كه حافظه مورد نظر مورد دستيابي قرار مي گيرد را زمان دستيابي گويند . مثلا زمان دستيابي حافظه RAM حدود 120 نانو ثانيه و زمان دستيابي ديسك حدود 30 ميلي ثانيه است . يعني از اين نظر RAM در حدود 250 برابر سريعتر از ديسك مي باشد . نرخ يا سرعت انتقال ( Transfer rate ): مقدار اطلاعاتي است كه در واحد زمان از حافظه قابل انتقال است و يكي از واحد هاي آن بايت در ثانيه است .
سلسله مراتب حافظه ها :
در كامپيوتر هاي امروزي عموما سلسله مراتبي از حافظه ( مثل cache ,RAM و ديسك ) استفاده مي شود . چند علت براي اين امر عبارت است از :
1- حافظه اصلي RAM در حال حاضر همچنان محدوديت ظرفيتي دارند ( مثلا حدود 256MB يا 1GB )
2- فقط بخشي از اطلاعات برنامه هاي در حال اجرا لازم است در حافظه اصلي قرار گيرد و لازم نيست تمام بخشهاي همه برنامه ها به حافظه RAM آورده شود .
3- حافظه هاي سريع گران هستند .
4- اندازه اطلاعاتي كه انسان امروزي زخيره مي كند خيلي زياد است و به صورت تصاعدي نيز زيادتر مي شود . اين حجم عظيم داده ها را نمي توان در حافظه اصلي نگهداري كرد .
5- حافظه هاي درون ماشيني اغلب فرار هستند و داده هاي آنها با رفتن برق از بين مي رود .
6- بسياري از برنامه ها به حافظه اي بيشتر از RAM نياز دارند . در اين حال مثلا از بخشي از ديسك به عنوان حافظه مجازي استفاده مي كنند .
7- هنگامي كه چندين پردازنده مي خواهند به صورت موازي به اطلاعاتي دسترسي داشته باشند مي توان آن اطلاعات را مثلا بر روي ديسك به اشتراك گذاشت.
پس در عمل جهت به كارگيري مزاياي حافظه هاي درون ماشيني ( سرعت زياد ) و برون ماشيني ( ظرفيت بالا و هزينه كم و ماندگار بودن ) تركيبي از آن دو در كامپيوتر ها استفاده كرد .
در ليستي از حافظه كه در زير آمده به ترتيب ظرفيت ها افزايش يافته و سرعت و هزينه ها كاهش مي يابد :
1-ثبات 2-حافظه هاي cache يا نهان 3- حافظه اصلي 4- حافظه فلاش (Flash ) 5- ديسك مغناطيسي 6- ديسك نوري 7- نوار مغناطيسي
منظور از ذخيره و بازيابي اطلاعات(ساختار فايل)
منظور از ساختار فايل سازماندهي داده ها روي دستگاههاي ذخيره سازي ثانويه است . به عبارت ديگر نحوه ذخيره داده ها در فايل ها و عمليات لازم براي دستيابي به داده ها بر روي حافظه هاي جانبي . بهينه كردن طراحي ساختار فايل ها ممكن است باعث گردد تا برنامه ها صدها بار سريعتر اجرا گردند . امروزه اغلب براي ذخيره و بازيابي از حافظه ديسك استفاده مي گردد و مشكل اصلي در طراحي ساختار فايل زمان نسبتا زيادي است كه براي بازيابي اطلاعات از ديسك لازم است . مهمترين فاكتور در طراحي ساختار فايلها به حداقل رساندن تعداد دستيابي به ديسك و به حداكثر رساندن احتمال وجود اطلاعات مورد نياز در حافظه اصلي است .
در اين طراحي سعي بر آن است كه اطلاعات مورد نياز را در صورت امكان تنها با يك بار مراجعه به ديسك بدست آوريم . زماني كه محتويات فايلها تغيير نمي كند رسيدن به اين هدف چندان سخت نيست ولي هنگامي كه فايلها بر اثر حذف و اضافه كوچك و بزرگ مي شوند حفظ اين ويژگي مشكل مي گردد .
بديهي است كه قبل از بررسي انواع ساختار فايلها لازم است كه شناخت كافي از حافظه هاي مورد نياز براي فايلها را داشته باشيم .
اگر فايلها فقط در حافظه اصلي نگهداري مي شدند نيازي به علم ساختار فايلها نبود . اين نياز از آنجا ناشي مي شود كه زمان دستيابي در حافظه جانبي بسيار بيشتر از زمان دستيابي به حافظه اصلي است و از طرف ديگر زمان دستيابي براي همه داده ها در حافظه جانبي يكسان نمي باشد .
تاريخچه طراحي ساختار فايل
در ابتدا فايلها بر روي رسانه نوار ذخيره مي شدند و بدين دليل دستيابي به صورت ترتيبي بود و زمان دستيابي متناسب با اندازه فايل زياد مي شد . امروزه با گسترش ديسكها از نوارها تنها جهت بايگاني استفاده مي گردد .
يكي از روشهاي بهبود زمان دستيابي استفاده از انديسهايي بود كه به فايلها اضافه مي شدند . بدين ترتيب ليستي از كليدها و يا اشاره گر ها در يك فايل كوچك ذخيره مي شوند كه جستجو در آن با سرعت بيشتري انجام مي پذيرد . اين انديسها ساده مشابه فايل هاي داده اي طبيعي ترتيبي داشته و با رشد فايله انديسها نيز رشد كرده و مديريت آنها مشكل مي گردد .
در دهه 1960 ساختار درختي مطرح و استفاده گرديد . ولي درخت ها با حذف و اضافه شدن ركوردها ممكن است به صورت نا مناسبي رشد كرده و در نتيجه باعث گردد كه جستجوي يك ركورد به دستيابي هاي متعددي به ديسك نياز داشته باشد .
در سال 1963 درخت دودويي خود تنظيم ( AVL ) براي اطلاعات موجود در حافظه ابداع شد . بعد ازآن سعي شد اين ساختار به نحوي براي فايلها نيز استفاده گردد . مشكل اصلي آن بود كه حتي با يك درخت AVL دها دستيابي براي جست و جوي يك ركورد حتي در يك فايل با اندازه متوسط مورد نياز است . ده سال بعد اين مشكل با ابداع درخت B (B-tree ) بر طرف گرديد . هر چند كه سرعت دستيابي درخت B خيلي خوب است ولي دستيابي ترتيبي در آن كارآمد نمي باشد . اين مشكل با اضافه كردن يك ليست پيوندي به سطح پاييني درخت B بر طرف گرديد . تركيب درخت B و ليست پيوندي را درخت B مي گويند . سيستم هاي تجاري زيادي بر مبناي درختهاي B و B+ پديد آمدند .
استفاده از درخت B تضمين مي كند كه جستجوي يك ركورد از ميان ميليون ها ركورد تنها با سه يا چهار بار مراجعه به ديسك امكان پذير است . همچنين با استفاده از درخت B با حذف و اضافه ركوردها كارآيي تغيير نمي كند .
با آنكه توانايي جستجوي اطلاعات با 3 يا 4 بار دستيابي خيلي خوب است ولي اگر بخواهيم داده ها را با يك دستيابي بدست آوريم از روش در هم سازي ( hashing ) استفاده مي كنيم . روش درهم سازي براي فايلهايي كه چندان تغيير نمي كنند مناسب است . البته با در هم سازي پويا مي توان اطلاعات را با يك يا حداكثر دو بار دستيابي به ديسك بدست آورد و اين ربطي به اندازه فايل ندارد .
انواع حافظه هاي جانبي
انواع حافظه هاي جانبي را از نظر تكنولوژي ساخت مي توان به چهار دسته زير تقسيم كرد :
1- تكنولوژي الكترو مكانيكي: كارت و نوار منگنه شدني
2- تكنولوژي الكترومغناطيسي : نوار مغناطيسي و ديسك و طبله
3- تكنولوژي الكترو ابتيك : ديسك نوري
4- تكنولوژي مغناطيسي نوري : ديسكهاي MD
در ادامه ويژگي هاي كلي حافظه نوار كاغذي و ديسك نوري و CD و DVD و حافظه هاي مغناطيسي را برسي مي كنيم .
نوار مغناطيسي
نوار مغاطيسي اصولا براي پردازش ترتيبي يا پي در پي اطلاعات استفاده مي گردد . از نظر تكنولوژي ساخت نوارها را مي توان به 4 دسته زير تقسيم كرد
1- ريل به ريل 2- نوار كارتريج 3- نوار كاست 4- نوار صوتي ( منطبق شده با كامپيوتر)
فرق نوار كارتريج با نوار ريل به ريل آن است كه كارتريج ها در يك محفظه پلاستيكي قرار داده شده اند تا در مقابل گرد و خاك محافظت گردند .
نحوه ذخيره داده ها بر روي نوار به صورت رشته هاي بيتي بر روي شيارهايي است كه در سطح نوار وجود دارد . بيتهاي يك كاراكتر در عرض نوار ذخيره مي گردند . از نظر تعداد شيارها دو نوع نوار 7 شياره و 9 شياره وجود دارند . يكي از شيارهاي نوار جهت كنترل خطا ( بيت پريتي ) استفاده مي شود البته درنوار دو نوع پريتي وجود دارد يكي بيت پريتي عرضي و ديگري بيت پريتي طولي . شكل زير اين موضوع را نشان مي دهد .
بيت پريتي عرضي به ازاء هر كاراكتر و بيت پريتي طولي به ازاء هر بلوك ذخيره مي شوند
چگالي : به تعداد بيتهاي قابل ضبط در هر اينج نوار چگالي گفته مي شود . چگالي در نوار با واحد بيت در اينچ بيان مي گردد كه با توجه به نحوه ي ذخيره عرضي كاراكترها در شيارها معادل همان بايت در اينچ يا كاراكتر در اينچ مي باشد
گپ: به فضاي بلا استفاده بين دو گروه ( بلاك ) از كاراكترها گپ گفته مي شود .به گپ حافظه هرز نيز گفته مي شود در شكل زير بين دو بلوك B1,B2 حافظه هرز IBG وجود دارد :
براي آنكه هد بتواند داده هاي موجود بر روي نوار را بخواند لازم است به سرعت مناسب و يكنواختي به نام سرعت حس برسد از طرف ديگر همان توقف فضايي جهت رسيدن سرعت حس به سرعت صفر مورد نياز است . در واقع حافظه ي Gap جهت توقف هد يا حركت دوباره آن استفاده مي شود .
با در نظر گرفتن شكلهاي زير:
فايل به صورت بلاكهايي به صورت پشت سر هم روي نوار ذخيره مي شوند . هر بلوك مجموعه اي از ركوردها مي باشد . بر روي يك نوار مي توان چندين فايل را ذخيره كرد كه در اين حالت هر فايل يك علامت ابتداي فايل و يك علامت پايان فايل دارد . پارامترهاي اساسي يك نوار عبارتند از :سرعت نوار – چگالي و نرخ انتقال
از يك نظر پارامترهاي يك نوار را مي توان به دو دسته كلي زير تقسيم كرد :
الف) پارامترهاي ظرفيتي كه عبارتند از 1- چگالي 2- طول نوار ( غالبا با واحد فوت )3- اندازه ها كه معمولا بين 3/ تا75/ اينچ هستند
ب) پارامترهاي زماني كه عبارتند از :
1- سرعت لغزش نوار( اينچ در ثانيه )
2- نرخ انتقال ( بايت در ثانيه )
3- اندازه حركت – توقف بر حسب ميلي ثانيه
نرخ انتقال به دو صورت اسمي و واقعي بيان مي شود نرخ اسمي توسط كارخانه سازنده بيان شده و نرخ انتقال واقعي يا مؤثر قابل محاسبه مي باشد .
دستيابي ترتيبي در نوارها سريع است . نوارها فشرده بوده و شرايط محيطي مختلف را به خوبي تحمل مي كنند . حمل و انتقال و نگهداري آنها ساده است و ارزانتر از ديسكها هستند .
همانطور كه قبلا گفتيم امروزه از نوارها تنها براي ارشيو و بايگاني استفاده مي شود . به عبارت ديگر نوارها يكي از انواع حافظه ها ي نوع سوم به شمار مي آيند .
ديسك مغناطيسي
از آنجا كه نحوه دستيابي به صورت تصادفي مي باشد اصطلاحا به آن DASD يا Direct Access
Device گفته مي شود . از جنبه هاي مختلفي مي توان ديسك را به صورت هاي زير تقسيم بندي كرد :
الف: از نظر توانايي جا بهجا شدن ديسكها به دو دسته ثابت (fixed) و قابل جابه جايي تقسيم مي شوند.
ب: از نظر نوع هد به دو دسته هد ثابت (Fixed head) و هد متحرك تقسيم مي شوند . در اغلب ديسكهاي امروزي بازوي هد مي تواند در راستاي شعاع حركت كند و از شياري به شيار ديگر برود . در ديسكهائي با هد ثابت هر شيار براي خود هدي دارد و بدين ترتيب بازوي هد حركت نمي كند . ديسكهاي با هد ثابت سريعتر و گرانتر مي باشند.
ج: از نظر جنس صفحه به دو دسته ديسك سخت و فلاپي تقسيم مي شوند . در ديسك سخت صفحات از جنس المنيوم بوده و در فلاپي از نوع پلاستيك مي باشند .
د: از نظر تعداد صفحات به دو دسته تك صفحه اي و چند صفحه اي تقسيم مي شوند .ديسكهاي چند صفحه اي را گاهي اوقات پك مي نامند . ديسكي با n صفحه تعداد 2n رويه دارد كه گاهي رويه هاي بالايي و پاييني جهت حفاظت استفاده شده و 2n-2 رويه ديگر جهت ذخيره سازي به كار مي روند . در بعضي از ديسكها تما 2n رويه براي ضبط اطلاعات استفاده مي شود .
تقسيمات ديسك
ديسكها از تقسيمات زير استفاده مي كنند :
شيار : به دواير هم مركز بر روي رويه ها شيار گفته مي شود .
استوانه:به شيارهاي هم شعاع بر روي رويه هاي مختلف استوانه گويند .
قطاع يا سكتور :هر شيار از تعدادي سكتور تشكيل مي شود .
شيارها معمولا از بيرون به سمت داخل و از صفر شماره گذاري مي شوند . در شيارهاي داخلي بيتها به همديگر نزديكتراند . در هر سكتور اغلب نيم كيلو يا 512 بايت اطلاعات ذخيره مي شود .
فرمت بندي ديسك
شيارها را مي توان به دو صورت سخت افزاري و نرم افزاري تقسيم بندي كرد . در نوع سخت افزاري تقسيم شيار به سكتور ها از قبل توسط كارخانه سازنده انجام شده و ثابت باقي مي ماند :
ولي در قالب بندي نرم افزاري تقسيم بندي سكتور ها به صورت نرم افزاري (اغلب توسط سيستم عامل ) انجام مي پذيرد و در اين حال لازم است كه در ابتدا ي هر سكتور مشخصاتي كنترلي نظير طول هر سكتور ذخيره گردد :
فلاپي ديسكها
فلاپي ديسكها قابل انتقال بوده و سرعت و حجم به مراتب كمتري نسبت به هارد ديسكها دارند . در هارد ديسكها هد فاصله كمي با سطح ديسك دارد و در اين فاصله اندك هواي تصفيه شده در جريان است . ولي در فلاپي ها هد با سطح ديسك در تماس مي باشد . ديسكتها مي توانند يكطفه يا دو طرفه باشند . در بعضي ديسكتها سكتور صفر با روش سخت افزاري (مثل سوراخي كه در ديسكهاي 25/5 اينچي وجود دارد ) مشخص شده و بقيه سكتورها به صورت نرم افزاري تعيين مي گردند . ديسكتها در اندازه هاي مختلف 8 و 25/5 و 5/3 اينچي و در ظرفيتهاي مختلف ساخته مي شوند . فلاپي ديسكها مانند نوار جهت پشتيبان و يا نقل و انتقال داده ها استفاده مي شوند .
طبله (Drum)
طبله استوانه اي است كه در سطح خارجي آن شيارهايي وجود دارد و اغلب براي هر شيار يك هد تعبيه شده است . به عبارت ديگر طبله را مي توان معادل يك ديسك با هد ثابت در نظر گرفت . شكل كلي آن به صورت زير است :
ممكن است تعداد هد ها از شيارها كمتر باشد كه در اين حالت بازوي هدها متحرك خواهد بود . در طبله تعداد استوانه همواره برابر يك و زمان استوانه جويي برابر صفر است . طبله از ديسك و نوار سريعتر است ولي ظرفيت آن كمتر است . امروزه به ندرت از طبله استفاده مي شود .
ديسكهاي نوري (Optical disk)
در اين ديسكها به جاي مغناطيس از نور ليزر جهت ذخيره سازي اطلاعات استفاده مي شود . در اين تكنولوژي فضاي لازم جهت ذخيره سازي يك بيت خيلي كمتر بوده و بدين دليل استفاده از ديسكهاي نوري باعث كاهش فضاي ذخيره سازي مي گردد . اين ديسكها انواع متفاوتي دارند .
CD_ROM داراي ظرفيتي از 500 مگا تا چند گيگا بايت است . اين ديسكها فقط خواندني بوده و از اين نظر به آن WORMنيز مي گويند . اغلب اين ديسك جهت ذخيره سازي فايلهائي كه تغيير نمي كند مثل برنامه استفاده مي شود . مزيت CD_ROM ها ظرفيت بالا و بها ي كم و دوام آنها است . ولي نقطه ضعف آنها زماناستوانه جويي و نرخ انتقال پايين است . زمان جستجو در CD_ROM كمتر از ديسك مغناطيسي بوده و غالبا هر جست و جو نيم تا يك ثانيه طول مي كشد و نرخ انتقال استاندارد نيز حدود 150 كيلو بايت در ثانيه است . به دليل سرعت كم CD ها طراحي ساختار فايل در آنها نسبت به ديسك مشكل تر بوده و امروزه اغلب جهت آرشيو و پشتيبان گيري و تكثير و ارائه برنامه استفاده مي شود .
در ابتدا CDها جهت اجراي موسيقي طراحي شده بودند و نه براي دستيابي سريع و مستقيم به داده ها . در واقع به اين دليل است كه CDها ظرفيت بالا و سرعت متوسطي را دارند . وجود فضاي زياد بر روي CDها امكان ساخت انديسها و يا ساختارهاي ديگري را جهت جستجوي سريع پديد آورده و بدين ترتيب تا حدي برخي از محدوديتهاي مربوط به بالا بودن زمان جستجو كاهش مي يابد .
نوع ديگري از ديسكهاي نوري به نام DVD نيز براي ذخيره سازيفيلم ها ابداع شده است كه مي توان آنها را براي ذخيره سازي فايلها هم استفاده كرد . DVD ها با ظرفيت بيش از 10 گيگا بايت نيز ساخته شده اند .
CDها ي اوليه فقط يكطرفه بودند ولي بعضي DVD ها به صورت دو طفه نيز ساخته مي شوند .
در ديسكهاي MOاز دو تكنولوژي نوري و مغناطيسي استفاده مي گردد و قابليت خواندن و نوشتن را دارا مي باشند .
اطلاعات بر روي بعضي Cdها به نام CD_RW ياEOD قابل پاك شدن و نوشتن مجدد مي باشد .
نحوه ذخيره داده ها در CDها
همان طور كه مي دانيد ساختار ديسكها به شكل زير بوده و ديسكها با سرعت ثابتي مي چرخند يعني سرعت زاويه اي ثابتي دارند (Constant Angular Velocity=CAV) .
شيارها مجزا و متحدالمركز بوده و چگالي داده ها در شيارهاي خارجي كمتر از شيارهاي داخلي است . ديسك براي همه موقعيتهاي هد با سرعت يكساني مي چرخد .
در شكل فوق آدرس دهي به كمك سه عدد ( شماره هد و شماره سيلندر و شماره سكتور ) انجام پذيرفته و جست و جوي يك سكتور خاص به سرعت انجام مي گيرد . سرعت خطي در شيارهاي بيروني بيشتر از شيارهاي داخلي مي باشد . ولي ساختارذخيره سازي داده ها بر روي CD_ROM به شكل حلزوني زير مي باشد :
به عبارت ديگر داده ها ي CD_ROM بر روي يك شيار يكتا و مارپيچ ذخيره مي گردد كه از مركز تا لبه ديسك حدود 5 كيلومتر طول دارد . توجه داشته باشيد كه CD_ROM در اصل و در ابتدا براي ذخيره داده هاي صوتي استفاده شده است . اين داده ها فضاي ذخيره سازي زيادي مي خواهند ولي جست و جو و سرعت در آنها زياد مهم نيست بلكه اين داده ها بايد از ابتدا تا انتها بدون وقفه نواخته شوند و ساختار حلزوني اين نياز را به طور كامل بر طرف مي سازد . بر خلاف ساختار ديسكها در CD_ROM ها اندازه يك سكتور در مركز ديسك به اندازه يك سكتور در لبه ديسك است .
براي خواندن داده ها از روي CD_ROM مي بايست شيار با سرعت ثابتي از زير پيكاپ نوري رد شود . به عبارت ديگر سرعت خطي بايد ثابت باشد( Constant Angular Velocity=CAV) .
براي آنكه سرعت خطي ثابت باشد مي بايست سرعت چرخش ديسك هنگام خواندن لبه بيروني كندتر از هنگام خواندن لبه هاي داخلي باشد يعني سرعت زاويه اي ديگر ثابت نيست . در اين ساختار مارپيچي چگالي داده ها در كل شيار ثابت است . اگر در CD_ROM ها به جاي CLVاز آرايش CAV(مشابه ديسكها) استفاده مي شد آنگاه ظرفيت آن قدري بيشتر از نصف ظرفيت موجود كنوني مي شد .
با آنكه CLV باعث بالا رفتن ظرفيت مي شود ولي از طرف ديگر سرعت پيگرد را كاهش مي دهد چرا كه در CLV روش سريعي براي پرش به موقعيتي مشخص ( مشابه ديسكها ) وجود ندارد .
نحوه آدرس دهي در CD_ROM
در ساختار CLV ديگر آدرس سه عددي ( شماره هد و شماره سيلندر و شماره سكتور ) كاربردي ندارد . در CD_ROM ها جهت آدرس دهي از تكنيك ديگري استفاده مي شود كه در آن هر ثانيه از زمان اجراي موسيقي به 75 سكتور تقسيم مي گردد كه هر سكتور 2 كيلو بايت اطلاعات را ذخيره مي سازد . طبق قرارداد اوليه هر CD حداقل بايد بتواند يك ساعت موسيقي را ذخيره سازد . به عبارت ديگر هر CDحداقل بايد بتواند 540000 كيلو بايت داده را نگهداري كند
KB 540000 = K2 *75*3600
به اين دليل است كه حداقل ظرفيت CDها 540 كگا بايت مي باشد .
هر سكتور در CD_ROM بت سه عدد (سكتور :ثانيه : دقيقه ) مشخص مي گردد .
مثلا سكتور 27 در ثانيه 43 از دقيقه 18 به صورت (18:43:27)نمايش داده مي شود .
حافظه های جانبی :
از حافظه های جانبی برای ذخیره اطلاعات استفاده می شود . این نوع حافظه ها چون برای ذخیره عناصر غیر الکترونیکی ساخته شده اند از حافظه های اصلی ارزان تر و کندتر هستند . گفتنی است که معمولا حافظه های اصلی بر روی برد اصلی رایانه و حافظه های جانبی خارج از برد اصلی یا خارج از رایانه قرار دارند ، این نوع حافظه ها مستقیما نمی توانند با CPU کار کنند و همان طور که قبلا نیز گفته شد اطلاعات مورد پردازش و استفاده CPU باید اول به حافظه اصلی (RAM) منتقل شود اطلاعات را در این نوع حافظه ها می توان بدون صرف هیچ گونه انرژی به مدت طولانی برای استفاده های مجدد نگهداری کرد . البته برای ثبت اطلاعات در این حافظه ها نیاز به انرژی داریم به همین علت است که قطع برق موجب از بین رفتن اطلاعات موجود در آنها نمی شود . حافظه های مکمی به چند دسته تقسیم می شوند که مهمترین آنها حافظه های غیر مغناطیسی و حافظه های مغناطیسی هستند . حافظه های مغناطیسی از پدیده مغناطیسی برای ذخیره اطلاعات استفاده می کنند .
حافظه غیر مغناطیسی :
1- کارت و نوار کاغذی : از کارت های رنگ شده و منگنه شده و نوارهای کاغذی سوراخ ( پانچ) شده به عنوان محلی برای ذخیره اطلاعات استفاده می شد لیکن امروزه جز در موارد خاص از این حافظه ها استفاده نمی شود . برای مثال از کارت های رنگ شده ( سیاه ) شده در آزمون های چند جوابی مثل کنکور و مسابقات استفتده می شود . کارت به وسیله دستگاهی به نام کارت خوان خوانده می شود و سپس به حافظه کامپیوتر منتقل می گردد .
2- دیسک های نوری : دیسک های نوری ، نوع دیگری از حافظه های غیر مغناطیسی است ، برای خواندن و نوشتن اطلاعات در این نوع دیسک ها ، از اشعه لیزر استفاده می شود .
3- الف : CD – این دیسک ها از صفحه دایره شکلی به قطر 12 سانتی متر ساخته شده اند می توانند تا حدود 650 مگابایت اطلاعات را نگهداری کنند . به نوع متداول آن که فقط قابل خواندن است « دیسک فشرده فقط خواندنی یا سی – دی- رام » ( CD-Rom ) می گویند .
ب : DVD – نوع جدیدتری از دیسک های نوری به نام DVD- Rom در حال گسترش است این دیسک ظاهر و اندازه ای شبیه سی – دی دارد ، ولی برای آن ظرفیت های 5/4 GB ( یک رو – یک لایه ) 9/7 GB ( یک رو – دولایه ) 8/15 GB ( دو رو – دو لایه) در نظر گرفته شده است .
حافظه های مغناطیسی :
در این نوع حافظه ها می توان اطلاعات را به صورت نقاط مغناطیسی شده نوشت ( ذخیره کرد ) و یا خواند ( بازیابی نمود ) . این اعمال به وسیله شاخک های خاصی که به آنها هد می گویند ، انجام می پذیرد . هد از یک سیستم پیچ هسته دار کوچک تشکیل شده است برای جلوگیری از پاک شدن و از بین رفتن اطلاعات حافظه های مغناطیسی باید آنها را دور از میدان مغناطیسی نگهداری کرد .
حافظه های اصلی :
دیکته دستور العمل ها و داده ها ، برای این که مورد اجرا و پردازش قرار گیرند اول باید به حافظه اصلی رایانه منتقل گردند و نتایج پردازش نیز به آنجا فرستاده شود حافظه اصلی رایانه از جنس نیمه هادی ( الکترونیکی ) است و در نتیجه سرعت دسترسی به اطلاعات موجود در آنها در مقایسه با انواع حافظه بالاست و قیمت آن ها نیز گران تر است . حافظه های اصلی نیز به دو دسته تقسیم می شوند .
حافظه های فقط خواندنی ( ROM) :
CPU معمولا اطلاعات موجود در این نوع حافظه ها را تغییر نمی دهد بلکه فقط می تواند اطلاعات آن را بخواند . هنگام خاموش شدن نیز این اطلاعات از بین نمی رود و ثابت می ماند . برنامه BIOS که وظیفه آزمایش و راه اندازی قسمت های مختلف رایانه را به هنگام روشن شدن سیستم بر عهده دارد در این نوع حافظه ها قرار داده می شود حافظه های فقط خواندنی انواع مختلفی دارد .
PROM : در این نوع حافظه فقط خواندنی ، داده ها و دستورالعمل ها را می توانیم روی آن فقط یکبار به وسیله دستگاه مخصوص ذخیره کنیم اما بعد از آن اطلاعات قابل تغییر نیستند .
EPROM : این حافظه در واقع PROM قابل پاک شدن است . به کمک اشعه فرا بنفش می توان اطلاعات روی آن را پاک کرد و سپس مانند PROM ، آن را برنامه ریزی نمود . این عمل می تواند بارها تکرار شود .
Flash Rom / EEPRom : نوع جدیدی از EPRom است با این تفاوت که پاک کردن آن به وسیله اعمال پالس الکتریکی صورت می گیرد . و مزیت آن نسبت به انواع دیگر این است که پاک کردن و برنامه ریزی آن بدون جدا کردن تراشه (LC) از برد اصلی رایانه صورت می گیرد . اکثر rom های مورد استفاده در قسمت های مختلف رایانه های امروزی از این نوع هستند .
حافظه های خواندنی / نوشتنی , Ram) ( R/wm :
همان طور که از نام این نوع حافظه پیداست واحد پردازش گر می تواند هم در این نوع حافظه ها بنویسد و هم از آنها بخواند . به طور کلی ، برنامه ها و دستورالعمل ها و داده هایی در این حافظه قرار می گیرند که پردازش گر بخواهد روی آنها کاری انجام دهد . به این نوع حافظه ها ، « حافظه های فرار » نیز می گویند . زیرا با با قطع برق محتویات آن ها از بین می رود .پس باید قبل از خاموش کردن رایانه اطلاعات و اده های مورد نیاز را در حافظه های کمکی که می تواند اطلاعات را بعد از قطع جریان برق نیز در خود نگهداری کنند ، ذخیره کرد . RAMها اغلب به دو نوع عمده تقسیم می شوند . « پویا » یا دینامیک ( DRAM ) و « ایستا » یا استاتیک (SRAM) .
RAM دینامیکی (DRAM) :
در این نوع حافظه اطلاعات باید به طور مرتب تجدید (refresh) شود وگرنه از بین خواهند رفت ( البته رایانه خود به صورت اتوماتیک اطلاعات را تجدید می کند ) به دلیل چگالی بیشتر داده ها وارزان تر بودن RAM دینامیک نسبت به RAM استاتیک از این نوع RAM به عنوان حافظه اصلی رایانه استفاده می کنند .
RAM استاتیک ( SRAM) :
سرعت این نوع حافظه بیشتر از نوع دینامیک است . از این نوع RAM در حافظه پنهان یا کش (cache) که بین حافظه اصلی و پردازشگر قرار دارد به منظور بالا بردن سرعت انتقال داده ها و دستورالعمل ها ، استفاده می کنند . وقتی پردازشگر درخواست داده و دستور العملمی نماید آنها ( چون در کش موجود نیستند ) از حافظه اصلی در مقایسه با سرعت پردازشگر بسیار کند است آورده می شوند این اطلاعات و مقداری از اطلاعات بعد از آن در حافظه پنهان (cache) هم ذخیره می شوند . در مواقعی که پردازشگر نیاز به داده ها و دستورالعمل پیدا می کند اول کش جستجو می شود و در صورت موجود بودن می تواند آنها را با سرعتی که بسیار بالاتر از برداشتن آنها از حافظه اصلی است بردارد البته کش ، آن قدر بزرگ نیست که که بتواند همه چیز را نگه دارد . اما شانس بسیار زیادی وجود دارد که اقلام مورد استفاده تکراری بوده و در کش وجود داشته باشد .
حافظه ها به دو دسته كلي تقسيم مي شوند : 1- حافظه اوليه (اصلي – درون ماشيني) كه پردازنده جهت اجراي برنامه ها مستقيما با آن سر و كار دارد .2- حافظه ثانويه ( جانبي- برون ماشين ) كه جهت ضبط اطلاعات فايل ها به كار مي روند .ما در اين مقاله تنها با حافظه هاي جانبي سر و كار داريم و از يك نظر مي توان گفت سيستم هاي كامپيوتري از دو بخش محيط درون ماشيني و محيط برون ماشيني تشكيل يافته اند . منظور از محيط درون ماشيني پردازنده . حافظه اصلي و عناصر داخلي كامپيوتر است و منظور از محيط درون ماشيني تجهيزات جانبي آن مثل هارد ديسك پرينتر و غيره مي باشد .
ما در اين مقاله با ذخيره سازي اطلاعات بر روي تجهيزات برون ماشيني سر و كار داريم .
ويژگي هاي كلي حافظه
فرار و غير فرار : حافظه هايي كه با رفتن برق اطلاعات آنها از بين مي رود حافظه هاي فرار
( Volatile ) و آنهايي كه با رفتن برق داده هاي خود را حفظ مي كنند غير فرار ( non volatile ) مي باشند و حافظه هاي اصلي اغلب فرار و حافظه هاي جانبي غير فرار مي باشند.
خواندني يا نوشتني : بعضي حافظه ها مثل RAM يا هارد ديسك خواندني نوشتني هستند . ولي بعضي ديگر مثل CD_ROM فقط خواندني هستند . به خواندن اطلاعات از حافظه اصطلاحا واكشي يا fetch گفته مي شود .
آدرس دهي : هر حافظه اي داراي يك شيوه آدرس دهي مي باشد كه به كمك آن خانه هايش دستيابي مي گردد . مثلا حافظه RAM آرايه اي از بايتهاست كه هر كدام يك آدرس ( عدد يكتا ) دارند . يا هارد ديسك به صورت سه جفت عدد ( شماره هد- شماره سيلندر – شماره سكتور ) آدرس دهي مي شوند .
ظرفيت : ظرفيت حافظه بر حسب بيت يا بايت بيان مي گردد .
زمان دستيابي ( Access time ) : از لحظه اي كه دستور خواندن و نوشتن داده مي شود تا هنگامي كه حافظه مورد نظر مورد دستيابي قرار مي گيرد را زمان دستيابي گويند . مثلا زمان دستيابي حافظه RAM حدود 120 نانو ثانيه و زمان دستيابي ديسك حدود 30 ميلي ثانيه است . يعني از اين نظر RAM در حدود 250 برابر سريعتر از ديسك مي باشد . نرخ يا سرعت انتقال ( Transfer rate ): مقدار اطلاعاتي است كه در واحد زمان از حافظه قابل انتقال است و يكي از واحد هاي آن بايت در ثانيه است .
سلسله مراتب حافظه ها :
در كامپيوتر هاي امروزي عموما سلسله مراتبي از حافظه ( مثل cache ,RAM و ديسك ) استفاده مي شود . چند علت براي اين امر عبارت است از :
1- حافظه اصلي RAM در حال حاضر همچنان محدوديت ظرفيتي دارند ( مثلا حدود 256MB يا 1GB )
2- فقط بخشي از اطلاعات برنامه هاي در حال اجرا لازم است در حافظه اصلي قرار گيرد و لازم نيست تمام بخشهاي همه برنامه ها به حافظه RAM آورده شود .
3- حافظه هاي سريع گران هستند .
4- اندازه اطلاعاتي كه انسان امروزي زخيره مي كند خيلي زياد است و به صورت تصاعدي نيز زيادتر مي شود . اين حجم عظيم داده ها را نمي توان در حافظه اصلي نگهداري كرد .
5- حافظه هاي درون ماشيني اغلب فرار هستند و داده هاي آنها با رفتن برق از بين مي رود .
6- بسياري از برنامه ها به حافظه اي بيشتر از RAM نياز دارند . در اين حال مثلا از بخشي از ديسك به عنوان حافظه مجازي استفاده مي كنند .
7- هنگامي كه چندين پردازنده مي خواهند به صورت موازي به اطلاعاتي دسترسي داشته باشند مي توان آن اطلاعات را مثلا بر روي ديسك به اشتراك گذاشت.
پس در عمل جهت به كارگيري مزاياي حافظه هاي درون ماشيني ( سرعت زياد ) و برون ماشيني ( ظرفيت بالا و هزينه كم و ماندگار بودن ) تركيبي از آن دو در كامپيوتر ها استفاده كرد .
در ليستي از حافظه كه در زير آمده به ترتيب ظرفيت ها افزايش يافته و سرعت و هزينه ها كاهش مي يابد :
1-ثبات 2-حافظه هاي cache يا نهان 3- حافظه اصلي 4- حافظه فلاش (Flash ) 5- ديسك مغناطيسي 6- ديسك نوري 7- نوار مغناطيسي
منظور از ذخيره و بازيابي اطلاعات(ساختار فايل)
منظور از ساختار فايل سازماندهي داده ها روي دستگاههاي ذخيره سازي ثانويه است . به عبارت ديگر نحوه ذخيره داده ها در فايل ها و عمليات لازم براي دستيابي به داده ها بر روي حافظه هاي جانبي . بهينه كردن طراحي ساختار فايل ها ممكن است باعث گردد تا برنامه ها صدها بار سريعتر اجرا گردند . امروزه اغلب براي ذخيره و بازيابي از حافظه ديسك استفاده مي گردد و مشكل اصلي در طراحي ساختار فايل زمان نسبتا زيادي است كه براي بازيابي اطلاعات از ديسك لازم است . مهمترين فاكتور در طراحي ساختار فايلها به حداقل رساندن تعداد دستيابي به ديسك و به حداكثر رساندن احتمال وجود اطلاعات مورد نياز در حافظه اصلي است .
در اين طراحي سعي بر آن است كه اطلاعات مورد نياز را در صورت امكان تنها با يك بار مراجعه به ديسك بدست آوريم . زماني كه محتويات فايلها تغيير نمي كند رسيدن به اين هدف چندان سخت نيست ولي هنگامي كه فايلها بر اثر حذف و اضافه كوچك و بزرگ مي شوند حفظ اين ويژگي مشكل مي گردد .
بديهي است كه قبل از بررسي انواع ساختار فايلها لازم است كه شناخت كافي از حافظه هاي مورد نياز براي فايلها را داشته باشيم .
اگر فايلها فقط در حافظه اصلي نگهداري مي شدند نيازي به علم ساختار فايلها نبود . اين نياز از آنجا ناشي مي شود كه زمان دستيابي در حافظه جانبي بسيار بيشتر از زمان دستيابي به حافظه اصلي است و از طرف ديگر زمان دستيابي براي همه داده ها در حافظه جانبي يكسان نمي باشد .
تاريخچه طراحي ساختار فايل
در ابتدا فايلها بر روي رسانه نوار ذخيره مي شدند و بدين دليل دستيابي به صورت ترتيبي بود و زمان دستيابي متناسب با اندازه فايل زياد مي شد . امروزه با گسترش ديسكها از نوارها تنها جهت بايگاني استفاده مي گردد .
يكي از روشهاي بهبود زمان دستيابي استفاده از انديسهايي بود كه به فايلها اضافه مي شدند . بدين ترتيب ليستي از كليدها و يا اشاره گر ها در يك فايل كوچك ذخيره مي شوند كه جستجو در آن با سرعت بيشتري انجام مي پذيرد . اين انديسها ساده مشابه فايل هاي داده اي طبيعي ترتيبي داشته و با رشد فايله انديسها نيز رشد كرده و مديريت آنها مشكل مي گردد .
در دهه 1960 ساختار درختي مطرح و استفاده گرديد . ولي درخت ها با حذف و اضافه شدن ركوردها ممكن است به صورت نا مناسبي رشد كرده و در نتيجه باعث گردد كه جستجوي يك ركورد به دستيابي هاي متعددي به ديسك نياز داشته باشد .
در سال 1963 درخت دودويي خود تنظيم ( AVL ) براي اطلاعات موجود در حافظه ابداع شد . بعد ازآن سعي شد اين ساختار به نحوي براي فايلها نيز استفاده گردد . مشكل اصلي آن بود كه حتي با يك درخت AVL دها دستيابي براي جست و جوي يك ركورد حتي در يك فايل با اندازه متوسط مورد نياز است . ده سال بعد اين مشكل با ابداع درخت B (B-tree ) بر طرف گرديد . هر چند كه سرعت دستيابي درخت B خيلي خوب است ولي دستيابي ترتيبي در آن كارآمد نمي باشد . اين مشكل با اضافه كردن يك ليست پيوندي به سطح پاييني درخت B بر طرف گرديد . تركيب درخت B و ليست پيوندي را درخت B مي گويند . سيستم هاي تجاري زيادي بر مبناي درختهاي B و B+ پديد آمدند .
استفاده از درخت B تضمين مي كند كه جستجوي يك ركورد از ميان ميليون ها ركورد تنها با سه يا چهار بار مراجعه به ديسك امكان پذير است . همچنين با استفاده از درخت B با حذف و اضافه ركوردها كارآيي تغيير نمي كند .
با آنكه توانايي جستجوي اطلاعات با 3 يا 4 بار دستيابي خيلي خوب است ولي اگر بخواهيم داده ها را با يك دستيابي بدست آوريم از روش در هم سازي ( hashing ) استفاده مي كنيم . روش درهم سازي براي فايلهايي كه چندان تغيير نمي كنند مناسب است . البته با در هم سازي پويا مي توان اطلاعات را با يك يا حداكثر دو بار دستيابي به ديسك بدست آورد و اين ربطي به اندازه فايل ندارد .
انواع حافظه هاي جانبي
انواع حافظه هاي جانبي را از نظر تكنولوژي ساخت مي توان به چهار دسته زير تقسيم كرد :
1- تكنولوژي الكترو مكانيكي: كارت و نوار منگنه شدني
2- تكنولوژي الكترومغناطيسي : نوار مغناطيسي و ديسك و طبله
3- تكنولوژي الكترو ابتيك : ديسك نوري
4- تكنولوژي مغناطيسي نوري : ديسكهاي MD
در ادامه ويژگي هاي كلي حافظه نوار كاغذي و ديسك نوري و CD و DVD و حافظه هاي مغناطيسي را برسي مي كنيم .
نوار مغناطيسي
نوار مغاطيسي اصولا براي پردازش ترتيبي يا پي در پي اطلاعات استفاده مي گردد . از نظر تكنولوژي ساخت نوارها را مي توان به 4 دسته زير تقسيم كرد
1- ريل به ريل 2- نوار كارتريج 3- نوار كاست 4- نوار صوتي ( منطبق شده با كامپيوتر)
فرق نوار كارتريج با نوار ريل به ريل آن است كه كارتريج ها در يك محفظه پلاستيكي قرار داده شده اند تا در مقابل گرد و خاك محافظت گردند .
نحوه ذخيره داده ها بر روي نوار به صورت رشته هاي بيتي بر روي شيارهايي است كه در سطح نوار وجود دارد . بيتهاي يك كاراكتر در عرض نوار ذخيره مي گردند . از نظر تعداد شيارها دو نوع نوار 7 شياره و 9 شياره وجود دارند . يكي از شيارهاي نوار جهت كنترل خطا ( بيت پريتي ) استفاده مي شود البته درنوار دو نوع پريتي وجود دارد يكي بيت پريتي عرضي و ديگري بيت پريتي طولي . شكل زير اين موضوع را نشان مي دهد .
بيت پريتي عرضي به ازاء هر كاراكتر و بيت پريتي طولي به ازاء هر بلوك ذخيره مي شوند
چگالي : به تعداد بيتهاي قابل ضبط در هر اينج نوار چگالي گفته مي شود . چگالي در نوار با واحد بيت در اينچ بيان مي گردد كه با توجه به نحوه ي ذخيره عرضي كاراكترها در شيارها معادل همان بايت در اينچ يا كاراكتر در اينچ مي باشد
گپ: به فضاي بلا استفاده بين دو گروه ( بلاك ) از كاراكترها گپ گفته مي شود .به گپ حافظه هرز نيز گفته مي شود در شكل زير بين دو بلوك B1,B2 حافظه هرز IBG وجود دارد :
براي آنكه هد بتواند داده هاي موجود بر روي نوار را بخواند لازم است به سرعت مناسب و يكنواختي به نام سرعت حس برسد از طرف ديگر همان توقف فضايي جهت رسيدن سرعت حس به سرعت صفر مورد نياز است . در واقع حافظه ي Gap جهت توقف هد يا حركت دوباره آن استفاده مي شود .
با در نظر گرفتن شكلهاي زير:
فايل به صورت بلاكهايي به صورت پشت سر هم روي نوار ذخيره مي شوند . هر بلوك مجموعه اي از ركوردها مي باشد . بر روي يك نوار مي توان چندين فايل را ذخيره كرد كه در اين حالت هر فايل يك علامت ابتداي فايل و يك علامت پايان فايل دارد . پارامترهاي اساسي يك نوار عبارتند از :سرعت نوار – چگالي و نرخ انتقال
از يك نظر پارامترهاي يك نوار را مي توان به دو دسته كلي زير تقسيم كرد :
الف) پارامترهاي ظرفيتي كه عبارتند از 1- چگالي 2- طول نوار ( غالبا با واحد فوت )3- اندازه ها كه معمولا بين 3/ تا75/ اينچ هستند
ب) پارامترهاي زماني كه عبارتند از :
1- سرعت لغزش نوار( اينچ در ثانيه )
2- نرخ انتقال ( بايت در ثانيه )
3- اندازه حركت – توقف بر حسب ميلي ثانيه
نرخ انتقال به دو صورت اسمي و واقعي بيان مي شود نرخ اسمي توسط كارخانه سازنده بيان شده و نرخ انتقال واقعي يا مؤثر قابل محاسبه مي باشد .
دستيابي ترتيبي در نوارها سريع است . نوارها فشرده بوده و شرايط محيطي مختلف را به خوبي تحمل مي كنند . حمل و انتقال و نگهداري آنها ساده است و ارزانتر از ديسكها هستند .
همانطور كه قبلا گفتيم امروزه از نوارها تنها براي ارشيو و بايگاني استفاده مي شود . به عبارت ديگر نوارها يكي از انواع حافظه ها ي نوع سوم به شمار مي آيند .
ديسك مغناطيسي
از آنجا كه نحوه دستيابي به صورت تصادفي مي باشد اصطلاحا به آن DASD يا Direct Access
Device گفته مي شود . از جنبه هاي مختلفي مي توان ديسك را به صورت هاي زير تقسيم بندي كرد :
الف: از نظر توانايي جا بهجا شدن ديسكها به دو دسته ثابت (fixed) و قابل جابه جايي تقسيم مي شوند.
ب: از نظر نوع هد به دو دسته هد ثابت (Fixed head) و هد متحرك تقسيم مي شوند . در اغلب ديسكهاي امروزي بازوي هد مي تواند در راستاي شعاع حركت كند و از شياري به شيار ديگر برود . در ديسكهائي با هد ثابت هر شيار براي خود هدي دارد و بدين ترتيب بازوي هد حركت نمي كند . ديسكهاي با هد ثابت سريعتر و گرانتر مي باشند.
ج: از نظر جنس صفحه به دو دسته ديسك سخت و فلاپي تقسيم مي شوند . در ديسك سخت صفحات از جنس المنيوم بوده و در فلاپي از نوع پلاستيك مي باشند .
د: از نظر تعداد صفحات به دو دسته تك صفحه اي و چند صفحه اي تقسيم مي شوند .ديسكهاي چند صفحه اي را گاهي اوقات پك مي نامند . ديسكي با n صفحه تعداد 2n رويه دارد كه گاهي رويه هاي بالايي و پاييني جهت حفاظت استفاده شده و 2n-2 رويه ديگر جهت ذخيره سازي به كار مي روند . در بعضي از ديسكها تما 2n رويه براي ضبط اطلاعات استفاده مي شود .
تقسيمات ديسك
ديسكها از تقسيمات زير استفاده مي كنند :
شيار : به دواير هم مركز بر روي رويه ها شيار گفته مي شود .
استوانه:به شيارهاي هم شعاع بر روي رويه هاي مختلف استوانه گويند .
قطاع يا سكتور :هر شيار از تعدادي سكتور تشكيل مي شود .
شيارها معمولا از بيرون به سمت داخل و از صفر شماره گذاري مي شوند . در شيارهاي داخلي بيتها به همديگر نزديكتراند . در هر سكتور اغلب نيم كيلو يا 512 بايت اطلاعات ذخيره مي شود .
فرمت بندي ديسك
شيارها را مي توان به دو صورت سخت افزاري و نرم افزاري تقسيم بندي كرد . در نوع سخت افزاري تقسيم شيار به سكتور ها از قبل توسط كارخانه سازنده انجام شده و ثابت باقي مي ماند :
ولي در قالب بندي نرم افزاري تقسيم بندي سكتور ها به صورت نرم افزاري (اغلب توسط سيستم عامل ) انجام مي پذيرد و در اين حال لازم است كه در ابتدا ي هر سكتور مشخصاتي كنترلي نظير طول هر سكتور ذخيره گردد :
فلاپي ديسكها
فلاپي ديسكها قابل انتقال بوده و سرعت و حجم به مراتب كمتري نسبت به هارد ديسكها دارند . در هارد ديسكها هد فاصله كمي با سطح ديسك دارد و در اين فاصله اندك هواي تصفيه شده در جريان است . ولي در فلاپي ها هد با سطح ديسك در تماس مي باشد . ديسكتها مي توانند يكطفه يا دو طرفه باشند . در بعضي ديسكتها سكتور صفر با روش سخت افزاري (مثل سوراخي كه در ديسكهاي 25/5 اينچي وجود دارد ) مشخص شده و بقيه سكتورها به صورت نرم افزاري تعيين مي گردند . ديسكتها در اندازه هاي مختلف 8 و 25/5 و 5/3 اينچي و در ظرفيتهاي مختلف ساخته مي شوند . فلاپي ديسكها مانند نوار جهت پشتيبان و يا نقل و انتقال داده ها استفاده مي شوند .
طبله (Drum)
طبله استوانه اي است كه در سطح خارجي آن شيارهايي وجود دارد و اغلب براي هر شيار يك هد تعبيه شده است . به عبارت ديگر طبله را مي توان معادل يك ديسك با هد ثابت در نظر گرفت . شكل كلي آن به صورت زير است :
ممكن است تعداد هد ها از شيارها كمتر باشد كه در اين حالت بازوي هدها متحرك خواهد بود . در طبله تعداد استوانه همواره برابر يك و زمان استوانه جويي برابر صفر است . طبله از ديسك و نوار سريعتر است ولي ظرفيت آن كمتر است . امروزه به ندرت از طبله استفاده مي شود .
ديسكهاي نوري (Optical disk)
در اين ديسكها به جاي مغناطيس از نور ليزر جهت ذخيره سازي اطلاعات استفاده مي شود . در اين تكنولوژي فضاي لازم جهت ذخيره سازي يك بيت خيلي كمتر بوده و بدين دليل استفاده از ديسكهاي نوري باعث كاهش فضاي ذخيره سازي مي گردد . اين ديسكها انواع متفاوتي دارند .
CD_ROM داراي ظرفيتي از 500 مگا تا چند گيگا بايت است . اين ديسكها فقط خواندني بوده و از اين نظر به آن WORMنيز مي گويند . اغلب اين ديسك جهت ذخيره سازي فايلهائي كه تغيير نمي كند مثل برنامه استفاده مي شود . مزيت CD_ROM ها ظرفيت بالا و بها ي كم و دوام آنها است . ولي نقطه ضعف آنها زماناستوانه جويي و نرخ انتقال پايين است . زمان جستجو در CD_ROM كمتر از ديسك مغناطيسي بوده و غالبا هر جست و جو نيم تا يك ثانيه طول مي كشد و نرخ انتقال استاندارد نيز حدود 150 كيلو بايت در ثانيه است . به دليل سرعت كم CD ها طراحي ساختار فايل در آنها نسبت به ديسك مشكل تر بوده و امروزه اغلب جهت آرشيو و پشتيبان گيري و تكثير و ارائه برنامه استفاده مي شود .
در ابتدا CDها جهت اجراي موسيقي طراحي شده بودند و نه براي دستيابي سريع و مستقيم به داده ها . در واقع به اين دليل است كه CDها ظرفيت بالا و سرعت متوسطي را دارند . وجود فضاي زياد بر روي CDها امكان ساخت انديسها و يا ساختارهاي ديگري را جهت جستجوي سريع پديد آورده و بدين ترتيب تا حدي برخي از محدوديتهاي مربوط به بالا بودن زمان جستجو كاهش مي يابد .
نوع ديگري از ديسكهاي نوري به نام DVD نيز براي ذخيره سازيفيلم ها ابداع شده است كه مي توان آنها را براي ذخيره سازي فايلها هم استفاده كرد . DVD ها با ظرفيت بيش از 10 گيگا بايت نيز ساخته شده اند .
CDها ي اوليه فقط يكطرفه بودند ولي بعضي DVD ها به صورت دو طفه نيز ساخته مي شوند .
در ديسكهاي MOاز دو تكنولوژي نوري و مغناطيسي استفاده مي گردد و قابليت خواندن و نوشتن را دارا مي باشند .
اطلاعات بر روي بعضي Cdها به نام CD_RW ياEOD قابل پاك شدن و نوشتن مجدد مي باشد .
نحوه ذخيره داده ها در CDها
همان طور كه مي دانيد ساختار ديسكها به شكل زير بوده و ديسكها با سرعت ثابتي مي چرخند يعني سرعت زاويه اي ثابتي دارند (Constant Angular Velocity=CAV) .
شيارها مجزا و متحدالمركز بوده و چگالي داده ها در شيارهاي خارجي كمتر از شيارهاي داخلي است . ديسك براي همه موقعيتهاي هد با سرعت يكساني مي چرخد .
در شكل فوق آدرس دهي به كمك سه عدد ( شماره هد و شماره سيلندر و شماره سكتور ) انجام پذيرفته و جست و جوي يك سكتور خاص به سرعت انجام مي گيرد . سرعت خطي در شيارهاي بيروني بيشتر از شيارهاي داخلي مي باشد . ولي ساختارذخيره سازي داده ها بر روي CD_ROM به شكل حلزوني زير مي باشد :
به عبارت ديگر داده ها ي CD_ROM بر روي يك شيار يكتا و مارپيچ ذخيره مي گردد كه از مركز تا لبه ديسك حدود 5 كيلومتر طول دارد . توجه داشته باشيد كه CD_ROM در اصل و در ابتدا براي ذخيره داده هاي صوتي استفاده شده است . اين داده ها فضاي ذخيره سازي زيادي مي خواهند ولي جست و جو و سرعت در آنها زياد مهم نيست بلكه اين داده ها بايد از ابتدا تا انتها بدون وقفه نواخته شوند و ساختار حلزوني اين نياز را به طور كامل بر طرف مي سازد . بر خلاف ساختار ديسكها در CD_ROM ها اندازه يك سكتور در مركز ديسك به اندازه يك سكتور در لبه ديسك است .
براي خواندن داده ها از روي CD_ROM مي بايست شيار با سرعت ثابتي از زير پيكاپ نوري رد شود . به عبارت ديگر سرعت خطي بايد ثابت باشد( Constant Angular Velocity=CAV) .
براي آنكه سرعت خطي ثابت باشد مي بايست سرعت چرخش ديسك هنگام خواندن لبه بيروني كندتر از هنگام خواندن لبه هاي داخلي باشد يعني سرعت زاويه اي ديگر ثابت نيست . در اين ساختار مارپيچي چگالي داده ها در كل شيار ثابت است . اگر در CD_ROM ها به جاي CLVاز آرايش CAV(مشابه ديسكها) استفاده مي شد آنگاه ظرفيت آن قدري بيشتر از نصف ظرفيت موجود كنوني مي شد .
با آنكه CLV باعث بالا رفتن ظرفيت مي شود ولي از طرف ديگر سرعت پيگرد را كاهش مي دهد چرا كه در CLV روش سريعي براي پرش به موقعيتي مشخص ( مشابه ديسكها ) وجود ندارد .
نحوه آدرس دهي در CD_ROM
در ساختار CLV ديگر آدرس سه عددي ( شماره هد و شماره سيلندر و شماره سكتور ) كاربردي ندارد . در CD_ROM ها جهت آدرس دهي از تكنيك ديگري استفاده مي شود كه در آن هر ثانيه از زمان اجراي موسيقي به 75 سكتور تقسيم مي گردد كه هر سكتور 2 كيلو بايت اطلاعات را ذخيره مي سازد . طبق قرارداد اوليه هر CD حداقل بايد بتواند يك ساعت موسيقي را ذخيره سازد . به عبارت ديگر هر CDحداقل بايد بتواند 540000 كيلو بايت داده را نگهداري كند
KB 540000 = K2 *75*3600
به اين دليل است كه حداقل ظرفيت CDها 540 كگا بايت مي باشد .
هر سكتور در CD_ROM بت سه عدد (سكتور :ثانيه : دقيقه ) مشخص مي گردد .
مثلا سكتور 27 در ثانيه 43 از دقيقه 18 به صورت (18:43:27)نمايش داده مي شود .
حافظه های جانبی :
از حافظه های جانبی برای ذخیره اطلاعات استفاده می شود . این نوع حافظه ها چون برای ذخیره عناصر غیر الکترونیکی ساخته شده اند از حافظه های اصلی ارزان تر و کندتر هستند . گفتنی است که معمولا حافظه های اصلی بر روی برد اصلی رایانه و حافظه های جانبی خارج از برد اصلی یا خارج از رایانه قرار دارند ، این نوع حافظه ها مستقیما نمی توانند با CPU کار کنند و همان طور که قبلا نیز گفته شد اطلاعات مورد پردازش و استفاده CPU باید اول به حافظه اصلی (RAM) منتقل شود اطلاعات را در این نوع حافظه ها می توان بدون صرف هیچ گونه انرژی به مدت طولانی برای استفاده های مجدد نگهداری کرد . البته برای ثبت اطلاعات در این حافظه ها نیاز به انرژی داریم به همین علت است که قطع برق موجب از بین رفتن اطلاعات موجود در آنها نمی شود . حافظه های مکمی به چند دسته تقسیم می شوند که مهمترین آنها حافظه های غیر مغناطیسی و حافظه های مغناطیسی هستند . حافظه های مغناطیسی از پدیده مغناطیسی برای ذخیره اطلاعات استفاده می کنند .
حافظه غیر مغناطیسی :
1- کارت و نوار کاغذی : از کارت های رنگ شده و منگنه شده و نوارهای کاغذی سوراخ ( پانچ) شده به عنوان محلی برای ذخیره اطلاعات استفاده می شد لیکن امروزه جز در موارد خاص از این حافظه ها استفاده نمی شود . برای مثال از کارت های رنگ شده ( سیاه ) شده در آزمون های چند جوابی مثل کنکور و مسابقات استفتده می شود . کارت به وسیله دستگاهی به نام کارت خوان خوانده می شود و سپس به حافظه کامپیوتر منتقل می گردد .
2- دیسک های نوری : دیسک های نوری ، نوع دیگری از حافظه های غیر مغناطیسی است ، برای خواندن و نوشتن اطلاعات در این نوع دیسک ها ، از اشعه لیزر استفاده می شود .
3- الف : CD – این دیسک ها از صفحه دایره شکلی به قطر 12 سانتی متر ساخته شده اند می توانند تا حدود 650 مگابایت اطلاعات را نگهداری کنند . به نوع متداول آن که فقط قابل خواندن است « دیسک فشرده فقط خواندنی یا سی – دی- رام » ( CD-Rom ) می گویند .
ب : DVD – نوع جدیدتری از دیسک های نوری به نام DVD- Rom در حال گسترش است این دیسک ظاهر و اندازه ای شبیه سی – دی دارد ، ولی برای آن ظرفیت های 5/4 GB ( یک رو – یک لایه ) 9/7 GB ( یک رو – دولایه ) 8/15 GB ( دو رو – دو لایه) در نظر گرفته شده است .
حافظه های مغناطیسی :
در این نوع حافظه ها می توان اطلاعات را به صورت نقاط مغناطیسی شده نوشت ( ذخیره کرد ) و یا خواند ( بازیابی نمود ) . این اعمال به وسیله شاخک های خاصی که به آنها هد می گویند ، انجام می پذیرد . هد از یک سیستم پیچ هسته دار کوچک تشکیل شده است برای جلوگیری از پاک شدن و از بین رفتن اطلاعات حافظه های مغناطیسی باید آنها را دور از میدان مغناطیسی نگهداری کرد .
حافظه های اصلی :
دیکته دستور العمل ها و داده ها ، برای این که مورد اجرا و پردازش قرار گیرند اول باید به حافظه اصلی رایانه منتقل گردند و نتایج پردازش نیز به آنجا فرستاده شود حافظه اصلی رایانه از جنس نیمه هادی ( الکترونیکی ) است و در نتیجه سرعت دسترسی به اطلاعات موجود در آنها در مقایسه با انواع حافظه بالاست و قیمت آن ها نیز گران تر است . حافظه های اصلی نیز به دو دسته تقسیم می شوند .
حافظه های فقط خواندنی ( ROM) :
CPU معمولا اطلاعات موجود در این نوع حافظه ها را تغییر نمی دهد بلکه فقط می تواند اطلاعات آن را بخواند . هنگام خاموش شدن نیز این اطلاعات از بین نمی رود و ثابت می ماند . برنامه BIOS که وظیفه آزمایش و راه اندازی قسمت های مختلف رایانه را به هنگام روشن شدن سیستم بر عهده دارد در این نوع حافظه ها قرار داده می شود حافظه های فقط خواندنی انواع مختلفی دارد .
PROM : در این نوع حافظه فقط خواندنی ، داده ها و دستورالعمل ها را می توانیم روی آن فقط یکبار به وسیله دستگاه مخصوص ذخیره کنیم اما بعد از آن اطلاعات قابل تغییر نیستند .
EPROM : این حافظه در واقع PROM قابل پاک شدن است . به کمک اشعه فرا بنفش می توان اطلاعات روی آن را پاک کرد و سپس مانند PROM ، آن را برنامه ریزی نمود . این عمل می تواند بارها تکرار شود .
Flash Rom / EEPRom : نوع جدیدی از EPRom است با این تفاوت که پاک کردن آن به وسیله اعمال پالس الکتریکی صورت می گیرد . و مزیت آن نسبت به انواع دیگر این است که پاک کردن و برنامه ریزی آن بدون جدا کردن تراشه (LC) از برد اصلی رایانه صورت می گیرد . اکثر rom های مورد استفاده در قسمت های مختلف رایانه های امروزی از این نوع هستند .
حافظه های خواندنی / نوشتنی , Ram) ( R/wm :
همان طور که از نام این نوع حافظه پیداست واحد پردازش گر می تواند هم در این نوع حافظه ها بنویسد و هم از آنها بخواند . به طور کلی ، برنامه ها و دستورالعمل ها و داده هایی در این حافظه قرار می گیرند که پردازش گر بخواهد روی آنها کاری انجام دهد . به این نوع حافظه ها ، « حافظه های فرار » نیز می گویند . زیرا با با قطع برق محتویات آن ها از بین می رود .پس باید قبل از خاموش کردن رایانه اطلاعات و اده های مورد نیاز را در حافظه های کمکی که می تواند اطلاعات را بعد از قطع جریان برق نیز در خود نگهداری کنند ، ذخیره کرد . RAMها اغلب به دو نوع عمده تقسیم می شوند . « پویا » یا دینامیک ( DRAM ) و « ایستا » یا استاتیک (SRAM) .
RAM دینامیکی (DRAM) :
در این نوع حافظه اطلاعات باید به طور مرتب تجدید (refresh) شود وگرنه از بین خواهند رفت ( البته رایانه خود به صورت اتوماتیک اطلاعات را تجدید می کند ) به دلیل چگالی بیشتر داده ها وارزان تر بودن RAM دینامیک نسبت به RAM استاتیک از این نوع RAM به عنوان حافظه اصلی رایانه استفاده می کنند .
RAM استاتیک ( SRAM) :
سرعت این نوع حافظه بیشتر از نوع دینامیک است . از این نوع RAM در حافظه پنهان یا کش (cache) که بین حافظه اصلی و پردازشگر قرار دارد به منظور بالا بردن سرعت انتقال داده ها و دستورالعمل ها ، استفاده می کنند . وقتی پردازشگر درخواست داده و دستور العملمی نماید آنها ( چون در کش موجود نیستند ) از حافظه اصلی در مقایسه با سرعت پردازشگر بسیار کند است آورده می شوند این اطلاعات و مقداری از اطلاعات بعد از آن در حافظه پنهان (cache) هم ذخیره می شوند . در مواقعی که پردازشگر نیاز به داده ها و دستورالعمل پیدا می کند اول کش جستجو می شود و در صورت موجود بودن می تواند آنها را با سرعتی که بسیار بالاتر از برداشتن آنها از حافظه اصلی است بردارد البته کش ، آن قدر بزرگ نیست که که بتواند همه چیز را نگه دارد . اما شانس بسیار زیادی وجود دارد که اقلام مورد استفاده تکراری بوده و در کش وجود داشته باشد .