Реферат: Устройства хранения информации 3

Все персональные компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю (различные накопители). Память нужна как для исходных данных, так и для хранения результатов. Она необходима для взаимодействия с периферией компьютера и даже для поддержания образа, видимого на экране. Вся память компьютера делится на внутреннюю и внешнюю. В компьютерных системах работа с памятью основывается на очень простых концепциях. В принципе, всё, что требуется от компьютерной памяти - это сохранять один бит информации так, чтобы потом он мог быть извлечён оттуда.

Запоминающие устройства можно классифицировать по следующим критериям:

· по типу запоминающих элементов

· по функциональному назначению

· по типу способу организации обращения

· по характеру считывания

· по способу хранения

· по способу организации

Объектом курсовой работы является современные устройства хранения информации.

Цель исследования – изучить историю и перспективы развития устройств хранения информации в современном мире.

Задачи:

рассмотреть понятие памяти, ее виды;

рассмотреть понятие устройств хранения информации, их виды, принципы записи, хранение, считывание, основные пользовательские характеристики;

изучить историю и дальнейшие перспективы развития устройств хранения информации.

ГЛАВА I. ПАМЯТЬ КОМПЬЮТЕРА. ВНЕШНИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

1.1 Память компьютера и ее виды

Памятью компьютера называется совокупность устройств для хранения программ, вводимой информации, промежуточных результатов и выходных данных. Классификация памяти представлена в Приложении 1. Память подразделяется на следующие виды[1] :

Внутренняя память предназначена для хранения относительно небольших объемов информации при ее обработке микропроцессором. Внешняя память предназначена для длительного хранения больших объемов информации независимо от того включен или выключен компьютер.

Энергозависимой называется память, которая стирается при выключении компьютера. Энергонезависимой называется память, которая не стирается при выключении компьютера.

К энергонезависимой внутренней памяти относится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Содержимое ПЗУ устанавливается на заводе и не меняется. В ПЗУ записываются программы, обеспечивающие базовый набор функций управления устройствами компьютера.

К энергозависимой внутренней памяти относятся оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), видеопамять и кэш-память. ОЗУ обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации, причём в любой момент времени возможен доступ к любой произвольно выбранной ячейке памяти. Часть оперативной памяти отводится для хранения изображений (видеопамять). Высокоскоростная кэш-память служит для увеличения скорости выполнения операций компьютером и используется при обмене данными между микропроцессором и RAM.

Внешняя память может быть с произвольным доступом и последовательным доступом. Устройства памяти с произвольным доступом позволяют получить доступ к произвольному блоку данных примерно за одно и то же время доступа.

Далее мы подробнее рассмотрим внешние устройства хранения информации.

1.2. Внешняя память компьютера

Внешняя память предназначена для долговременного хранения программ и данных. Устройства внешней памяти (накопители) являются энергонезависимыми, выключение питания не приводит к потере данных. Они могут быть встроены в системный блок или выполнены в виде самостоятельных блоков, связанных с системным через его порты. Важной характеристикой внешней памяти служит ее объем. Объем внешней памяти можно увеличивать, добавляя новые накопители. Не менее важными характеристиками внешней памяти являются время доступа к информации и скорость обмена информацией. Эти параметры зависят от устройства считывания информации и организации типа доступа к ней.

По типу доступа к информации устройства внешней памяти делятся на: устройства прямого (произвольного) доступа и устройства последовательного доступа. При прямом доступе время доступа к информации не зависит от ее места расположения на носителе. При последовательном доступе - зависит от местоположения информации.

Скорость обмена информацией зависит от скорости ее считывания или записи на носитель, что определяется, в свою очередь, скоростью вращения или перемещения этого носителя в устройстве.

ВЗУ служат для запоминания больших массивов информации - наборов данных, программ пользователей и операционных систем. В процессе работы вычислительной системы по мере необходимости производится оперативный обмен информационными массивами между ВЗУ и основной памятью.

Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя (устройства, обеспечивающего запись и (или) считывание информации) и устройства хранения — носителя.

Основные виды накопителей[2] :

накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

накопители на магнитной ленте (НМЛ);

накопители CD-ROM, CD-RW, DVD.

Им соответствуют основные виды носителей:

гибкие магнитные диски (Floppy Disk) (диаметром 3,5’’ и ёмкостью 1,44 Мб), диски для сменных носителей;

жёсткие магнитные диски (Hard Disk);

кассеты для стримеров и других НМЛ;

диски CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD.

Запоминающие устройства принято делить на виды и категории в связи с их принципами функционирования, эксплуатационно-техническими, физическими, программными и др. характеристиками. Так, например, по принципам функционирования различают следующие виды устройств: электронные, магнитные, оптические и смешанные – магнитооптические. Каждый тип устройств организован на основе соответствующей технологии хранения/воспроизведения/записи цифровой информации. Поэтому, в связи с видом и техническим исполнением носителя информации, различают: электронные, дисковые и ленточные устройства.

Основные характеристики накопителей и носителей[3] :

информационная ёмкость;

скорость обмена информацией;

надёжность хранения информации.

Остановимся подробнее на рассмотрении вышеперечисленных накопителей и носителей.

1.2.1. Магнитные дисковые накопители

Принцип работы магнитных запоминающих устройств основаны на способах хранения информации с использованием магнитных свойств материалов. Как правило, магнитные запоминающие устройства состоят из собственно устройств чтения/записи информации и магнитного носителя, на который, непосредственно, осуществляется запись и с которого считывается информация. Магнитные запоминающие устройства принято делить на виды в связи с исполнением, физико-техническими характеристиками носителя информации и т.д. Наиболее часто различают: дисковые и ленточные устройства. Общая технология магнитных запоминающих устройств состоит в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя и считывания информации, закодированной как области переменной намагниченности. Дисковые носители, как правило, намагничиваются вдоль концентрических полей – дорожек, расположенных по всей плоскости дискоидального вращающегося носителя. Запись производится в цифровом коде. Намагничивание достигается за счет создания переменного магнитного поля при помощи головок чтения/записи. Головки представляют собой два или более магнитных управляемых контура с сердечниками, на обмотки которых подается переменное напряжение. Изменение полярности напряжения вызывает изменение направления линий магнитной индукции магнитного поля и, при намагничивании носителя, означает смену значения бита информации с 1 на 0 или с 0 на 1.

Дисковые устройства делят на гибкие (Floppy Disk) и жесткие (Hard Disk) накопители и носители. Основным свойством дисковых магнитных устройств является запись информации на носитель на концентрические замкнутые дорожки с использованием физического и логического цифрового кодирования информации. Плоский дисковый носитель вращается в процессе чтения/записи, чем и обеспечивается обслуживание всей концентрической дорожки, чтение и запись осуществляется при помощи магнитных головок чтения/записи, которые позиционируют по радиусу носителя с одной дорожки на другую. Дисковые устройства, как правило, используют метод записи называемый методом без возвращения к нулю с инверсией (Not Return Zero – NRZ). Запись по методу NRZ осуществляется путем изменения направления тока подмагничивания в обмотках головок чтения/записи, вызывающее обратное изменение полярности намагниченности сердечников магнитных головок и соответственно попеременное намагничивание участков носителя вдоль концентрических дорожек с течением времени и продвижением по окружности носителя. При этом, совершенно неважно, происходит ли перемена магнитного потока от положительного направления к отрицательному или обратно, важен только сам факт перемены полярности.

Для записи информации, как правило, используют различные методы кодирования информации, но все они предполагают использование в качестве информационного источника не само направление линий магнитной индукции элементарной намагниченной точки носителя, а изменение направления индукции в процессе продвижения по носителю вдоль концентрической дорожки с течением времени. Такой принцип требует жесткой синхронизации потока бит, что и достигается методами кодирования. Методы кодирования данных не влияют на перемены направления потока, а лишь задают последовательность их распределения во времени (способ синхронизации потока данных), так, чтобы, при считывании, эта последовательность могла быть преобразована к исходным данным[4] .

1.2.2. .Жесткие диски (винчестеры)

Накопители на жестких дисках объединяют в одном корпусе носитель (носители) и устройство чтения/записи, а также, нередко, и интерфейсную часть, называемую собственно контроллером жесткого диска. Типичной конструкцией жесткого диска является исполнение в виде одного устройства - камеры, внутри которой находится один или более дисковых носителей насаженных на один шпиндель и блок головок чтения/записи с их общим приводящим механизмом. Обычно, рядом с камерой носителей и головок располагаются схемы управления головками, дисками и, часто, интерфейсная часть и/или контроллер. На интерфейсной карте устройства располагается собственно интерфейс дискового устройства, а контроллер с его интерфейсом располагается на самом устройстве. С интерфейсным адаптером схемы накопителя соединяются при помощи комплекта шлейфов.

Информация заносится на концентрические дорожки, равномерно распределенные по всему носителю. В случае большего, чем один диск, числа носителей все дорожки, находящиеся одна под другой, называются цилиндром. Операции чтения/записи производятся подряд над всеми дорожками цилиндра, после чего головки перемещаются на новую позицию.

Герметичная камера предохраняет носители не только от проникновения механических частиц пыли, но и от воздействия электромагнитных полей. Необходимо заметить, что камера не является абсолютно герметичной т.к. соединяется с окружающей атмосферой при помощи специального фильтра, уравнивающего давление внутри и снаружи камеры. Однако, воздух внутри камеры максимально очищен от пыли, т.к. малейшие частички могут привести к порче магнитного покрытия дисков и потере данных и работоспособности устройства.

Диски вращаются постоянно, а скорость вращения носителей довольно высокая (от 4500 до 10000 об/мин), что обеспечивает высокую скорость чтения/записи. По величине диаметра носителя чаще других производятся 5.25, 3.14, 2.3 дюймовые диски. На диаметр носителей несменных жестких дисков не накладывается никакого ограничения со стороны совместимости и переносимости носителя, за исключением форм-факторов корпуса ПК, поэтому, производители выбирают его согласно собственным соображениям.

В настоящее время, для позиционирования головок чтения/записи, наиболее часто, применяются шаговые и линейные двигатели механизмов позиционирования и механизмы перемещения головок в целом.

В системах с шаговым механизмом и двигателем головки перемещаются на определенную величину, соответствующую расстоянию между дорожками. Дискретность шагов зависит либо от характеристик шагового двигателя, либо задается серво-метками на диске, которые могут иметь магнитную или оптическую природу. Для считывания магнитных меток используется дополнительная серво-головка, а для считывания оптических - специальные оптические датчики.

В системах с линейным приводом головки перемещаются электромагнитом, а для определения необходимого положения служат специальные сервисные сигналы, записанные на носитель при его производстве и считываемые при позиционировании головок. Во многих устройствах для серво-сигналов используется целая поверхность и специальная головка или оптический датчик. Такой способ организации серво-данных носит название выделенная запись серво-сигналов. Если серво-сигналы записываются на те же дорожки, что и данные и для них выделяется специальный серво-сектор, а чтение производится теми же головками, что и чтение данных, то такой механизм называется встроенная запись серво-сигналов. Выделенная запись обеспечивает более высокое быстродействие, а встроенная - повышает емкость устройства.

Линейные приводы перемещают головки значительно быстрее, чем шаговые, кроме того, они позволяют производить небольшие радиальные перемещения «внутри» дорожки, давая возможность отследить центр окружности серводорожки. Этим достигается положение головки, наилучшее для считывания с каждой дорожки, что значительно повышает достоверность считываемых данных и исключает необходимость временных затрат на процедуры коррекции. Как правило, все устройства с линейным приводом имеют автоматический механизм парковки головок чтения/записи при отключении питания устройства.

Парковкой головок называют процесс их перемещения в безопасное положение. Это - так называемое «парковочное» положение головок в той области дисков, где ложатся головки. Там, обычно, не записано никакой информации, кроме серво-данных, это специальная «посадочная зона» (Landing Zone). Для фиксации привода головок в этом положении в большинстве ЖД используется маленький постоянный магнит, когда головки принимают парковочное положение - этот магнит соприкасается с основанием корпуса и удерживает позицию головок от ненужных колебаний. При запуске накопителя схема управления линейным двигателем «отрывает» фиксатор, подавая на двигатель, позиционирующий головки, усиленный импульс тока. В ряде накопителей используются и другие способы фиксации - основанные, например, на воздушном потоке, создаваемом вращением дисков. В запаркованном состоянии накопитель можно транспортировать при достаточно плохих физических условиях (вибрация, удары, сотрясения), т.к. нет опасности повреждения поверхности носителя головками. В настоящее время на всех современных устройствах парковка головок накопителей производится автоматически внутренними схемами контроллера при отключении питания и не требует для этого никаких дополнительных программных операций, как это было с первыми моделями.

Во время работы все механические части накопителя подвергаются тепловому расширению, и расстояния между дорожками, осями шпинделя и позиционером головок чтения/записи меняется. В общем случае это никак не влияет на работу накопителя, поскольку для стабилизации используются обратные связи, однако некоторые модели время от времени выполняют рекалибровку привода головок, сопровождаемую характерным звуком, напоминающим звук при первичном старте, подстраивая систему к изменившимся расстояниям.

Плата электроники современного накопителя на жестких магнитных дисках представляет собой самостоятельный микрокомпьютер с собственным процессором, памятью, устройствами ввода/вывода и прочими традиционными атрибутами присущими компьютеру. На плате могут располагаться множество переключателей и перемычек, однако не все из них предназначены для использования пользователем. Как правило, руководства пользователя описывают назначение только перемычек, связанных с выбором логического адреса устройства и режима его работы, а для накопителей с интерфейсом SCSI - и перемычки, отвечающие за управление резисторной сборкой (стабилизирующей нагрузкой в цепи)[5] .

1.2.3. Накопитель на гибких магнитных дисках

Основные внутренние элементы дисковода - дискетная рама, шпиндельный двигатель, блок головок с приводом и плата электроники.

Шпиндельный двигатель - плоский многополюсный, с постоянной скоростью вращения 300 об/мин. Двигатель привода блока головок - шаговый, с червячной, зубчатой или ленточной передачей.

Для опознания свойств дискеты на плате электроники возле переднего торца дисковода установлено три механических нажимных датчика: два - под отверстиями защиты и плотности записи, и третий - за датчиком плотности - для определения момента опускания дискеты. Вставляемая в щель дискета попадает внутрь дискетной рамы, где с нее сдвигается защитная шторка, а сама рама при этом снимается со стопора и опускается вниз - металлическое кольцо дискеты при этом ложится на вал шпиндельного двигателя, а нижняя поверхность дискеты - на нижнюю головку (сторона 0). Одновременно освобождается верхняя головка, которая под действием пружины прижимается к верхней стороне дискеты. На большинстве дисководов скорость опускания рамы никак не ограничена, из-за чего головки наносят ощутимый удар по поверхностям дискеты, а это сильно сокращает срок их надежной работы. В некоторых моделях дисководов (Teac, Panasonic, ALPS) предусмотрен замедлитель-микpолифт для плавного опускания рамы. Для продления срока службы дискет и головок в дисководах без микролифта рекомендуется при вставлении дискеты придерживать пальцем кнопку дисковода, не давая раме опускаться слишком резко. На валу шпиндельного двигателя имеется кольцо с магнитным замком, который в начале вращения двигателя плотно захватывает кольцо дискеты, одновременно центрируя ее на валу. В большинстве моделей дисководов сигнал от датчика опускания дискеты вызывает кратковременный запуск двигателя с целью ее захвата и центрирования.

Дисковод соединяется с контролером при помощи 34-пpоводного кабеля, в котором четные провода являются сигнальными, а нечетные - общими. Общий вариант интерфейса предусматривает подключение к контролеру до четырех дисководов, вариант для IBM PC - до двух. В общем варианте дисководы подключаются полностью параллельно друг другу, а номер дисковода (0..3) задается перемычками на плате электроники; в варианте для IBM PC оба дисковода имеют номер 1, но подключаются при помощи кабеля, в котором сигналы выбора (провода 10-16) перевернуты между разъемами двух дисководов. Иногда на разъеме дисковода удаляется контакт 6, играющий в этом случае роль механического ключа. Интерфейс дисковода достаточно прост и включает сигналы выбора устройства (четыре устройства в общем случае, два - в варианте для IBM PC), запуска двигателя, перемещения головок на один шаг включения записи, считываемые/записываемые данные, а также информационные сигналы от дисковода - начало дорожки, признак установки головок на нулевую (внешнюю) дорожку, сигналы с датчиков и т.п. Вся работа по кодированию информации, поиску дорожек и секторов, синхронизации, коррекции ошибок выполняется контролером.

Дискета или гибкий диск - компактное низкоскоростное малой ёмкости средство хранение и переноса информации. Различают дискеты двух размеров: 3.5”, 5.25”, 8” (последние два типа вышли из употребления).

Конструктивно дискета представляет собой гибкий диск с магнитным покрытием, заключенный в футляр. Дискета имеет отверстие под шпиль привода, отверстие в футляре для доступа головок записи-чтения (в 3.5” закрыто железной шторкой), вырез или отверстие защиты от записи. Кроме дискета 3.5” - дискета высокой плотности - отверстие указанной плотности (высокая/низкая). 3,5 дискета защищена от записи, если отверстие защиты открыто.

Для дискет используются следующие обозначения:

- SSsingleside - односторонний диск (одна рабочая поверхность).

- DSdoubleside - двусторонний диск.

- SDsingledensity - одинарная плотность.

- DDdoubledensity - двойная плотность.

- HDhighdensity - высокая плотность.

Накопитель на гибких дисках принципиально похож на накопитель на жестких дисках. Скорость вращения гибкого диска примерно в 10 раз медленнее, а головки касаются поверхности диска. В основном структура информации на дискете, как физическая так и логическая, такая же как на жестком диске. С точки зрения логической структуры на дискете отсутствует таблица разбиения диска[6] .

1.2.4. CD-ROM

Самым распространенным представителем оптической технологии является CD-ROM, который характеризуется:

- Большая надежность по сравнению с винчестером

- Большая емкость, порядка 700 Мб

- CD-ROM практически не изнашивается

Минимальная скорость передачи данных у CD-ROM составляет 150 Кбайт/с и возрастает в зависимости от модели привода, т.е. 52-х скоростной CD-ROM, будет иметь 52*150 = 7,8 Мб/с.

Типовой привод состоит из платы электроники, шпиндельного двигателя, системы оптической считывающей головки и системы загрузки диска. На плате электроники размещены все управляющие схемы привода, интерфейс с контроллером компьютера, разъемы интерфейса и выхода звукового сигнала.

Шпиндельный двигатель служит для приведения диска во вращение с постоянной или переменной линейной скоростью. Сохранение постоянной линейной скорости требует изменения угловой скорости диска в зависимости от положения оптической головки. При поиске фрагментов диск может вращаться с большей скоростью, нежели при считывании, поэтому от шпиндельного двигателя требуется хорошая динамическая характеристика; двигатель используется как для разгона, так и для торможения диска.

На оси шпиндельного двигателя закреплена подставка, к которой после загрузки прижимается диск. Поверхность подставки обычно покрыта резиной или мягким пластиком для устранения проскальзывания диска. Прижим диска к подставке осуществляется при помощи шайбы, расположенной с другой стороны диска; подставка и шайба содержат постоянные магниты, сила, притяжения которых прижимает шайбу через диск к подставке.

Система оптической головки состоит из самой головки и системы ее перемещения. В головке размещены лазерный излучатель, на основе инфракрасного лазерного светодиода, система фокусировки, фотоприемник и предварительный усилитель. Система фокусировки представляет собой подвижную линзу, приводимую в движение электромагнитной системой voice coil (звуковая катушка), сделанной по аналогии с подвижной системой громкоговорителя. Изменение напряженности магнитного поля вызывают перемещение линзы и пере фокусировку лазерного луча.

Система загрузки диска выполняется в двух вариантах: с использованием специального футляра для диска (caddy), вставляемого в приемное отверстие привода, и с использованием выдвижного лотка (tray), на который кладется сам диск.

Стандартный диск состоит из трех слоев: подложка из поликарбоната, на которой отштампован рельеф диска, намыленное на нее отражающее покрытие из алюминия, золота, серебра или другого сплава, и более тонкий защитный слой поликарбоната или лака, на который наносятся надписи и рисунки. Информационный рельеф диска состоит из спиральной дорожки, идущей от центра к периферии, вдоль которой расположены углубления (питы). Информация кодируется чередованием питов и промежутков между ними.

Считывание информации с диска происходит за счёт регистрации изменений интенсивности отражённого от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Приёмник или фотодатчик определяет, отразился ли луч от гладкой поверхности, был ли он рассеян или поглощен. Рассеивание или поглощение луча происходит в местах, где в процессе записи были нанесены углубления (штрихи). Сильное отражение луча происходит там, где этих углублений нет. Фотодатчик, размещённый в накопителе CD - ROM, воспринимает рассеянный луч, отражённый от поверхности диска. Затем эта информация в виде электрических сигналов поступает на микропроцессор, который преобразует эти сигналы в двоичные данные или звук.

Глубина каждого штриха на диске равна 0.12 мкм, ширина - 0.6 мкм. Они расположены вдоль спиральной дорожки, расстояние между соседними витками которой составляет 1.6 мкм, что соответствует плотности 16000 витков на дюйм или 625 витков на миллиметр. Длина штрихов вдоль дорожки записи может колебаться от 0.9 до 3.3 мкм. Дорожка начинается на некотором расстоянии от центрального отверстия и заканчивается примерно в 5 мм от внешнего края.

Если на компакт-диске необходимо отыскать место записи определённых данных, то его координаты предварительно считываются из оглавления диска, после чего считывающее устройство перемещается к нужному витку спирали и ждёт появления определённой последовательности битов.

В каждом блоке диска, записанного в формате CD - DA (аудиокомпакт - диск), содержится 2352 байт. На диске CD - ROM 304 из них используется для синхронизации, идентификации и коррекции кодов ошибок, а оставшиеся 2048 байт - для хранения полезной информации. Поскольку за секунду считывается 75 блоков, скорость считывания данных с дисков CD - ROM составляет 153 600 байт/с (односкоростной CD - ROM), что равно 150 Кбайт/с. Поскольку на компакт - диске может содержаться максимальный объём данных, который считывается 74 мин, а за секунду считывается 75 блоков по 2048 байт, нетрудно подсчитать, что максимальная ёмкость диска CD - ROM составит 681 984 000 байт (около 650 Мбайт).

Алгоритм работы накопителя CD-ROM.

1. Полупроводниковый лазер генерирует маломощный инфракрасный луч, который попадает на отражающее зеркало.

2. Серводвигатель по командам встроенного микропроцессора, смещает подвижную каретку с отражающим зеркалом к нужной дорожке на компакт - диске.

3. Отражённый от диска луч фокусируется линзой, расположенной под диском, отражается от зеркала и попадает на разделительную призму.

4. Разделительная призма направляет отражённый луч на другую фокусирующую линзу.

5. Эта линза направляет отражённый луч на фотодатчик, который преобразует световую энергию в электрические импульсы.

6. Сигналы с фотодатчика декодируются встроенным микропроцессором и передаются в компьютер в виде данных.

Поскольку для программных файлов и файлов с данными важен каждый бит, в накопителях CD-ROM используются весьма сложные алгоритмы обнаружения и коррекции ошибок. Благодаря таким алгоритмам вероятность неправильного считывания данных составляет менее 0.125 .

Для реализации этих методов коррекции ошибок к каждым 2048 полезным байтам добавляется 288 контрольных. Это позволяет восстанавливать даже сильно повреждённые последовательности данных (длиной до 1000 ошибочных битов). Использование столь сложных методов обнаружения и коррекции ошибок связано, во- первых, с тем, что компакт - диски весьма подвержены внешним воздействиям, а, во- вторых , потому, что подобные носители изначально разрабатывались лишь для записи звуковых сигналов, требования к точности которых не столь высоки[7] .

1.2.5. DVD

Дальнейшее развитие в области оптической записи привело к появлению стандарта DVD. Компакт-диск этого формата имеет такие же размеры (4,75”),как и CD, но имеет большую емкость. Для того чтобы достичь шести-семикратного увеличения плотности хранения данных по сравнению с CD-R(RW), нужно было изменить две ключевых характеристики записывающих устройств: длину волны записывающего лазера и относительное отверстие объектива, который его фокусирует. В технологии CD-R применяется инфракрасный лазер с длиной волны 780 нанометров (нм), в то время как DVD-R(RW) использует красный лазер с длиной волны либо 635, либо 650 нм. В то же время, относительное отверстие объектива типичного устройства CD-R(RW) равно 0,5, а устройства DVD-R(RW) - 0,6. Такие характеристики аппаратуры позволяют наносить на диски DVD-R(RW) метки размером всего лишь 0,40 мкм, что гораздо меньше минимального размера метки CD-R(RW) - 0,834 мкм.

DVD является носителем, который может содержать любой тип информации, который обычно размещается на массово выпускаемых дисках DVD: видео, аудио, изображения, файлы данных, мультимедийные приложения и так далее. В зависимости от типа записанной информации диски DVD-R и DVD-RW можно использовать на стандартных устройствах воспроизведения DVD, включая большинство дисководов DVD-ROM и проигрывателей DVD-Video.

Характеристики некоторых форматов DVD.

Параметры

DVD-5

DVD-9

DVD-10

DVD-18

Объем

(Гб)

4,7

8,54

9,4

17,08

Расположение

информации

Одностороннее

одноуровневое

Одностороннее

двухуровневое

Двухстороннее

одноуровневое

Двухстороннее

двухуровневое

1.2.6. Флэш-память

С появлением флэш-памяти производители электроники получили возможность без особых проблем и затрат оснастить свои устройства новым типом накопителей. Налицо были выгоды – низкое энергопотребление, высокая надежность и устойчивость к внешним воздействиям и нагрузкам.

USB Flash Drive - портативное устройство для хранения и переноса данных с одного компьютера на другой. Компактный, легкий, удобный и удивительно простой в эксплуатации. Для его работы не нужны ни соединительные кабели, ни источники питания, ни дополнительное программное обеспечение. Особенности USB Flash Drive: высокая скорость обмена данными по USB, защита от записи переключателем на корпусе, защита данных паролем, не требуются драйверы и внешнее питание, может быть отформатирован как загрузочный диск, хранение данных до 10 лет.

В 1994 году корпорация SanDisk представила первую ревизию спецификаций CompactFlash. Теоретический предел емкости накопителей на базе CompactFlash – 137 Гбайт. На данный момент на рынке доступны модели емкостью от 16 Мбайт до 12 Гбайт[8] .

1.2.7. Голографические устройства

Голографическая запись позволяет записать на диск стандартного размера до 1,6 Тбайт данных. Суть ноу-хау достаточно проста. Для записи луч лазера разделяется на опорный и сигнальный потоки, последний обрабатывается с помощью пространственного светового модулятора (Spatial Light Modulator — SLM). Это устройство преобразует предназначенные для хранения данные, состоящие из последовательностей 0 и 1, в «шахматное поле» светлых и тёмных точек — каждое такое поле содержит около миллиона бит информации.

После пересечения опорного луча и проекции «шахматной доски» образуется голограмма, и на носитель производится запись интерференционной картины. Изменяя угол наклона опорного луча, а также длину его волны или положение носителя, на одну и ту же площадь можно записать несколько различных голограмм одновременно — этот процесс называется мультиплексированием. Для чтения данных достаточно осветить диск соответствующим опорным лучом и «прочитать» получившийся срез голограммы, фактически – ту самую «шахматную доску» — с помощью сенсора. Так и восстанавливаются исходные биты информации. Кроме объёмов хранения, в технологии впечатляют и остальные характеристики. Так, например, заявленная скорость передачи данных составляет 960 Мбит/с.

1.2.8. MODS-диски

Физики из Имперского колледжа в Лондоне разработали оптический диск размером с CD или DVD, в котором помещается 1 терабайт данных (472 часа высококачественного видео). Новый формат назван MODS (MultiplexedOpticalDataStorage). Его секрет заключается не только в размерах одного пита или их плотной упаковке. Главное новшество — один пит в MODS кодирует не один бит (1 или 0, как у всех систем записи), а десятки бит. Дело в том, что каждый пит в новом формате не симметричен. Он содержит небольшую дополнительную впадинку, наклонённую вглубь под одним из 332 углов. Они создали аппаратуру и специальное программное обеспечение, позволяющее точно идентифицировать тонкие различия в отражении света от таких питов. По прогнозу физиков, серийные диски MODS и дисководы для них могут прийти на рынок между 2010 и 2015 годами, при условии финансирования дальнейшей работы группы. Интересно, что эти приводы будут обратно совместимыми с DVD и CD, хотя, разумеется, нынешние дисководы MODS-диски прочитать не смогут[9] .

Основные пользовательские характеристики рассмотренных видов ВЗУ приведены в Приложении 2.

ГЛАВА II. ИСТОРИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ УСТРОЙСТВ ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

2.1. История развития устройств хранения информации

За точку отсчета в развитии магнитной памяти следует принимать далекий 1898 год. Именно в том году датский инженер В. Поулсен продемонстрировал прибор, который мог записать речь на стальную струну. Поулсен перемещался от одного конца проволоки к другому, говоря в микрофон, подсоединенный к электромагнитной катушке. Когда Поулсен вернул тележку в исходное положение и заменил микрофон динамиком, слышно было его голос в процессе движения тележки. В основе современных устройств магнитной записи информации лежит этот же принцип с той лишь разницей, что струна заменена тонкой магнитной пленкой. Применяемые в настоящее время способы записи и считывания информации можно разбить на две группы: магнитный и оптический.

Технология магнитной записи стала широко использоваться в различных элементах памяти с начала 1950-х годов. Именно эта технология до сих пор применяется в работе большинства компьютеров.

В современных носителях один бит магнитной информации - это один магнитный домен, направление вектора намагниченности в котором может быть изменено внешним полем. В магнитной записи используются так называемые продольные домены, намагниченность которых ориентирована в плоскости диска. Запись одного бита информации осуществляется путем подачи тока в электрическую катушку. Считывание информации при данной схеме работы может осуществляться различными способами. Данная схема используется в процессе работы жестких дисков компьютеров, флоппи-дисков и стриммеров. Для записи битов с высокой плотностью записи необходимо, чтобы не только расстояние между магнитной средой и считывающей/записывающей головкой было мало, но и чтобы сама среда была как можно более тонкой и гладкой.

Одним из наиболее хорошо известных магнитных материалов, используемых для записи, является порошок в связывающей матрице (например, лаке). Порошок представляет собой микрочастицы с большой остаточной намагниченностью размером от 0,05 до 1,0 мкм, температурой Кюри от 125 до 770 К и коэрцитивной силой Я_с от 22 до 240 кА/м (0,4—3 кЭ) в зависимости от материала. Соединение Y-Fe,O₃ в недалеком прошлом являлось наиболее популярным материалом для ленточных магнитных накопителей. Позднее было показано, что твердый раствор соединений y-Fe-,O₃ и y-Fe₃ O₄ , а также кобальтсодержащий y-Fe,O₃ имеют существенно большую коэрцитивную силу, чем соединение y-Fe,O.. Величина Н_с существенно зависит от размера и формы частиц и, например, в случае феррита бария Н_с может изменяться от 56 до 240 кА/м (700—3000 Э).

В отличие от порошковых материалов тонкие пленки — это практически полностью магнитный материал, и, следовательно, в процессе записи информации весь материал пленки находится в зоне действия большого магнитного поля. В то же время при считывании поле, создаваемое отдельными доменами, сконцентрировано вблизи поверхности пленки (вблизи головки) и, следовательно, информация может быть считана более эффективно. Таким образом, использование пленок позволяет добиться более высокой по сравнению с порошковыми материалами плотности записи. В качестве материалов для записи информации используются, например, пленки сплавов кобальта, нанесенные на алюминиевые или стеклянные пластины. Причем скорость их вращения может достигать 7200 об./мин. Толщина магнитного слоя в пленочных продольных носителях составляет около 10—50 нм. В течение последних лет коммерчески доступными являются диски с плотностью записи несколько Гбит на 1 см² , то есть один бит информации имеет размер 0,8 х 0,06 мкм и менее.

Для предупреждения повреждения пленки, особенно когда диск начинает двигаться, проводится текстурирование дисков: импульсным лазерным излучением на вращающийся диск наносятся кратероподобные шишки высотой около 20 нм. Шишки расположены по спирали, начинающейся от внутреннего радиуса диска, остальная поверхность диска имеет минимальную шероховатость, является рабочей и используется для магнитной записи. Ожидается, что в ближайшее время будет достигнут практически прямой контакт между средой и головкой. С этой целью необходимо использовать практически гладкие материалы толщиной 5—10 нм, покрытые слоем смазки, обеспечивающей практически безфрикшюнное движение головки относительно плоскости диска.

К средам для магнитной записи предъявляются также следующие требования: стабильность свойств при изменении температуры, механических воздействиях, радиации и сырости; неограниченное количество циклов записи и сохранность записанной информации более 30 лет; возможность нанесения антифрикционных/защитных покрытий и использования подложек с хорошей аэродинамикой и, что самое главное, малая стоимость производства.

К преимуществам магнитной записи можно отнести простоту и высокую надежность записи (малую вероятность ошибки), более высокую скорость записи/считывания по сравнению с оптическими системами; малую стоимость одного бита и сравнительно низкую стоимость дальнейшего увеличения плотности записи. Недостатками магнитных систем являются ограничение скорости записи индуктивностью используемого кольца, а также определенное ограничение емкости диска. При использовании механических систем ограничения накладываются также на время доступа к информации и точность позиционирования головки.

В настоящее время для магнитной записи информации используются индукционные головки. В процессе работы головки поле, создаваемое электрической микрокатушкой, концентрируется с помощью магни-топровода в непосредственной близости от поверхности диска. В отличие от диска головка может перемещаться только в радиальном направлении. Запись продольных доменов различной ориентации осуществляется за счет изменения направления тока в микрокатушке. Существуют универсальные головки, которые совмещают как функцию записи, так и воспроизведения. Современные жесткие компьютерные диски емкостью 120 Гбайт имеют шесть головок для записи и считывания информации.

Наиболее плотная магнитная запись достигнута с применением тонкопленочных головок для считывания информации, действие которых основано на эффекте гигантского магнитосопротивления. Этот эффект заключается в изменении сопротивления материалов под воздействием магнитного поля. Он был открыт лордом Кельвином в 1856 году в обычном железе и составлял 1/3000 долю от величины сопротивления железа в нормальных условиях. Ученым удалось найти вещества, в которых относительное изменение сопротивления превышает величину 1%/Э. Этот гигантский эффект и используется в считывающих головках компьютеров для регистрации поля, создаваемого одним доменом (магнитное поле на поверхности диска не превышает 20— 25 Э). Отметим, что в современных компьютерах запись информации осуществляется с помощью индукционной головки, а считывание — экранированной магниторезистивной головкой.

В середине 1970-х — начале 1980-х г.г. фундаментальные исследования в области оптической записи достигли уровня, позволившего таким промышленным гигантам, как RСА, «Sony» и «Philips», запустить в производство оптические устройства хранения информации. Первый оптический диск для хранения информации был выпущен в 1985 году. Наиболее известными устройствами такого рода в России являются компакт-диски (CD). В каждую из систем для считывания информации с CD встроен лазерный диод, работающий в ближней инфракрасной области спектра. Этот диод способен легко детектировать выбитые на поверхности диска ямы с характерным размером около 1 мкм и тем самым считывать записанную информацию. Увеличение плотности записи информации на оптических дисках в некоторой степени сдерживается отсутствием твердотельных лазеров с меньшей длиной волны. Выпускаемые CD позволяют перезаписывать информацию до ста раз. Оптические системы (так называемые Jukebox) наибольшей емкости могут записывать до 1,45 Тбит на 278 дисках.

Логическим продолжением этих работ стало развитие магнитооптического способа записи информации. Помимо обсуждаемой выше продольной записи, которая используется при создании магнитной памяти, существует также и перпендикулярная запись, при которой вектор намагниченности доменов ориентирован перпендикулярно к плоскости диска. Такой тип записи применяется в магнитооптических системах памяти. Первая коммерческая версия магнитооптической системы была выпущена только в 1994 году.

Магнитооптические системы используют в своей работе полярный эффект Керра. При этом информация об ориентации намагниченности домена получается при анализе степени вращения плоскости поляризации лазерного луча при отражении от пленки (около 0,3°). Первые такие системы использовали ферримагнитные аморфные сплавы редкоземельных и переходных металлов, обладающие перпендикулярной магнитной анизотропией. Состав пленок подбирается таким образом, чтобы температура, при которой происходит переагничивание домена, была близка к точке магнитной компенсации или точке Кюри, где величина Н_с значительно уменьшается. Эффективными составами для магнитооптической записи считаются GdFe, TbCo, TbFe, TbFeCo, Co/Pt, Co/Pd и др.

В настоящее время существуют, например, 5,25-дюймовые перезаписываемые удаляемые (переносные) магнитооптические диски емкостью до 2,3 Гбай-та, 14-дюймовые двухсторонние диски имеют емкость 12 Гбайт. Предполагается, что в ближайшее время цифра возрастет до 20 Гбайт даже для 5,25-дюймового диска (при двухсторонней записи).

Для осуществления записи необходимо выполнение ряда магнитных, термомагнитных и магнитооптических требований: направление магнитного момента домена должно быть перпендикулярно плоскости пленки; распределение намагниченности по пленке должно быть устойчиво к воздействию размагничивающих полей и малых температурных колебаний; в материале должна существовать регулярная и воспроизводимая доменная структура с размером домена около 1 мкм: возможность уменьшения коэрцитивной силы по величине приблизительно на порядок при нагревании; отсутствие изменений в соседних доменах при нагреве (сравнительно плохая теплопроводность); достаточная (для считывания) величина полярного эффекта Керра: максимально возможное отношение сигнала к шуму (более 25 дБ) во всем рабочем интервате температур и т.д.[10]

2.2. Перспективы развития устройств хранения информации

Важными направлениями научных исследований в этой области является изучение эффектов, влияющих на сверхплотную запись информации, таких, как тепловые ограничения, так называемые магнитные временные эффекты и флуктуации различного характера. Однако проблема заключается не только в том, какую среду использовать для записи информации, но и каким образом эту информацию записать и считать с данного носителя. Например, если для записи и считывания информации непосредственно использовать луч лазера, то размер одного бита информации не может быть существенно меньше половины длины волны. Цифровые видеодиски уже используют красный лазер сλ ≈ 630—635 нм, недалекая перспектива в этой области — широкое использование голубого полупроводникового GaN-лазера с длиной волны 410—415 нм.

Учеными разрабатываются несколько оптических методов записи и хранения информации. К наиболее известному из них можно отнести так называемую DVD-технологию, которая уже частично пришла на смену обычным CD. Использование DVD-носителей позволяет выпускать, например, двухчасовые видеофильмы, записанные на одном диске.

Большое внимание исследователей привлекает оптическая память ближнего поля. Оптика ближнего поля использует тот факт, что свет может проходить сквозь отверстия гораздо меньшего размера, чем длина волны λ. Однако свет при этом может распространяться на очень короткую дистанцию — так называемую область ближнего поля. Ученые предлагают реализовать данную схему путем, например, перфорирования отверстия диаметром около 250 нм на покрытом металлом конце лазерного диода. Технология же самой записи заключается в использовании летающей на малой высоте от подложки оптической головки, содержащей записывающее кольцо для магнитной записи и два оптических элемента. Одним из этих элементов является твердая иммерсионная линза. Линза используется для фокусировки лазерного луча в пятно ультрамалого размера, которое затем проецируется на поверхность диска. По некоторым оценкам, уменьшение размера отверстия на лазере до 30 нм может позволить достичь плотности записи более чем 80 Гбит/см² .

Активно разрабатываются устройства, позволяющие проводить запись и считывание информации в объеме материала, то есть осуществлять трехмерное хранение информации. Использование трехмерной (3.0-память) оптической памяти позволит записывать до 10¹² бит на 1 см³ . Место бита в объеме материала может быть определено с помощью простых пространственных, спектральных или временных координат. Так, например, при голографической записи, концепция которой возникла еще в 1960-х годах, информация хранится в толще среды как «страницы» электронных изображений.

Если упомянутые нами выше DVD имеют на каждой стороне лишь по два слоя записи информации, то развиваемая сейчас двухфотонная технология записи позволяет использовать по нескольку сот слоев на каждой стороне диска (созданные прототипы имеют 100 слоев при толщине 8 мм). При этом методе записи атом или молекула могут перейти из одного энергетического состояния в другое только при одновременной абсорбции двух фотонов. Использование двух лазерных лучей позволяет легко варьировать месторасположение бита информации в толще материала. Индуцированные изменения при этом могут быть зафиксированы как изменения абсорбции, флуоресценции, отражательной способности или электрических свойств материала в точке расположения бита. Такая технология позволит сохранять до 100 Гбайт информации на одном диске того же, что и CD и DVD, размера. Одной из перспективных сред, которая может, например, абсорбировать или флуоресцировать при записи битов, является материал spirobenzopyran. Однако при комнатной температуре записанная в нем информация может храниться не более 20 часов. Неограниченно долго данный материал может сохранять информацию только при температуре -32°С, то есть при температуре сухого льда. Исследуется также возможность использования для двухфотонной записи фотохромного протеина bacteriorhodopsin и нитронафтиальдегида (rhodamine В).

Ведутся также исследования новых возможностей трехмерной записи информации, делающих ее в некотором смысле четырехмерной. При этом способе записи предлагается помимо обычной использовать также такую информацию о каждой точке записи, как длина волны, время или молекулярная структура (например, записывать информацию в одной и той же точке пространства на разных длинах волн). Таким образом, можно будет записывать до 100 бит информации в одной точке пространства микронного размера.

Однако чисто оптические методы записи, в которых среда для записи расположена на заметном расстоянии от лазера, имеют одно важное ограничение — минимальный размер бита записываемой информации ограничен величиной λ/2. Это обусловлено дифракционными ограничениями. Даже при использовании голубого твердотельного лазера линейный размер одного бита информации может быть лишь около 215 нм. Хотя принципиальных ограничений на создание твердотельных лазеров с длиной волны менее 400 нм нет, но трудности создания хорошо управляемых компактных лазеров заметно возрастают при дальнейшем уменьшении длины волны. Таким образом, следует ожидать, что в случае даже полного развития трехмерной памяти и при использовании голубого лазера чисто оптические методы позволят записывать в одном кубическом сантиметре не более 10'⁴ —10¹⁵ бит информации. Для достижения в компьютерах плотности записи 10'⁴ /см³ понадобится не менее 15—20 лет.

В настоящее время разрабатываются и другие виды оптической памяти, использующей, например, в качестве носителя информации уже отдельные молекулы или предлагающие перейти к многоуровневой логике вместо общепринятой сейчас бинарной.

Обещающим кажется и использование термомеханических процессов для считывания и записи информации на тонких полимерных органических пленках. Ученые компании IBM предлагают использовать для этого так называемый millipede — тысячи кантилеверов (чувствительных элементов), закрепленных на одной кремневой похтожке, причем каждый из кантилеверов может записывать и считывать информацию на/с полимерной среды.

Однако в отличие от разработок технологии магнитной памяти доведение данных работ до промышленного прототипа требует огромных финансовых затрат. В то же время проведенные к настоящему времени исследования магнитного метода записи уже сейчас позволяют увеличивать плотности записи в два раза за один год. Дальнейшее развитие магнитной памяти не требует чрезмерно больших затрат. Цена одного мегабайта магнитной информации уже сейчас снизилась приблизительно в 500 раз от начальной его цены и не превышает нескольких десятых цента. Таким образом, можно предположить, что в ближайшие 7—10 лет магнитные материалы будут оставаться наиболее используемой средой для записи информации (по крайней мере для жестких дисков компьютеров) и в ближайшем будущем будут успешно конкурировать с чисто оптическими и другими методами[11] .

Заключение

Подведем итоги изученному в курсовой работе.

Устройства внешней памяти - это, прежде всего, магнитные устройства для хранения информации. По способу записи и чтения накопители делятся, в зависимости от вида носителя, на магнитные, оптические и магнитооптические.

Раньше в вычислительной технике к внешним устройствам (ВЗУ) относили устройства хранения дискретной информации, главным образом, на магнитных лентах, барабанах, дисках.

Уже совсем скоро на рынке устройств хранения информации появится новинка - это будет устройство для накопления информации на специальных дисках наподобие CD. Они будут поддерживать стандарт DVD и иметь емкость 4.72 Гбайт, причем на них можно будет и записывать информацию и естественно считывать не один раз. Эта разработка совершит переворот в теории хранения и накопления информации. Это время уже совсем близко.

Научно обоснованные прогнозы утверждают, что совершенствование электронной техники и применение новых высокоэффективных накопительных сред в сочетании с широким использованием методов бионики при решении проблем, связанных с синтезом запоминающих устройств, позволят создавать запоминающие устройства, близкие по параметрам памяти человека.

Список использованной литературы

1. Альянах И. Н. Внешние запоминающие устройства. М, 1991.

2. Батыгов М., Денисов О. Накопители на жестких магнитных дисках. М., 2001.

3. Гиляровский Р.С. Основы информатики. – М.: Экзамен, 2003.

4. Гук. М. Аппаратные средства IBMPC. Энциклопедия. – СПб: Питер, 2001.

5. Извозчиков В.А. Информатика в понятиях и терминах. - М.: Просвещение, 1997.

6. Информатика / Под ред. Н.В. Макаровой. М., 2002.

7. Козырев А.А. Информатика. – М.: Издательство Михайлова, 2003.

8. Лебедев О. Н. Микросхемы памяти и их применение. М., 1990.

9. Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия ПК. – М.: Проспект, 2003.

10. Основы современных технологий / Под ред. Хоманенко А.Д. Гофмана В.Э. Мальцевой П.Б. М., 1998.

11. Острейковский В.А. Информатика. – М.: Высшая школа, 2005.

12. Современные информационные технологии и сети. Юнита 2. – М.: Современный гуманитарный университет, 2001.

13. Угринович Н. Информатика и информационные технологии. — М.: БИНОМ, 2001.

14. Фигурнов В.Э. IBMPC для пользователя. М., 2003.

15. Бирюков В. Прибавь обороты // Компьютера.- 2004. - №5.

16. Симонов С. Семь тысяч двести // Компьютера. – 1999. - №32.

17. Тишин А.М. Память современных компьютеров. – М.: Московский государственный университет им. Ломоносова, 2001.

Приложение 1

Виды памяти

Приложение 2

Основные пользовательские характеристики ВЗУ

Характеристики	МО	CD-RW	DVD	Дискета	Стримерная лента	JAZ	ZIP
Проблема хранения	Солнечный свет	Размагничивание, различные влияния	Застревание и разрыв	Влияние полей
Срок хранения: - Гарантия - Теория	50 150	50 100	50 100	5 15	20 40	10 50	8 46
Проблемы с драйверами	+	-	+	-	-	-	-
Ошибки записи	-	+	-	+	+	-	+
Циклы перезаписи	10000000	1000	1000	100-200	800	10000	1000
Максимальная емкость	9,1 (5,25) 2,6 (3,5)	700^iv
Цена устройства (в среднем, $)	400	200	400	20	800	500	150
Распространенность в РФ	Средняя	Высокая	Низкая	Сверхвысокая	Низкая	Очень низкая	Средняя

[1] Современные информационные технологии и сети. Юнита 2. – М.: Современный гуманитарный университет, 2001. с. 15.

[2] Гук. М. Аппаратные средства IBMPC. Энциклопедия. – СПб: Питер, 2001. с. 521.

[3] Угринович Н. Информатика и информационные технологии. — М.: БИНОМ, 2001. с. 91-98.

[4] Леонтьев В.П. Новейшая энциклопедия ПК. – М.: Проспект, 2003. с. 617.

[5] Батыгов М., Денисов О. Накопители на жестких магнитных дисках. М., 2001. с. 48.

[6] Альянах И. Н. Внешние запоминающие устройства. М, 1991. с. 74.

[7] Симонов С. Семь тысяч двести // Компьютера. – 1999. - №32. с. 17.

[8] Фигурнов В.Э. IBMPC для пользователя. М., 2003. с. 265.

[9] Бирюков В. Прибавь обороты // Компьютера.- 2004. - №5. с. 28.

[10] Тишин А.М. Память современных компьютеров. – М.: Московский государственный университет им. Ломоносова, 2001. с. 116-120.

[11] Тишин А.М. Память современных компьютеров. – М.: Московский государственный университет им. Ломоносова, 2001. с. 120-121.