Машинные носители информации

История появления машинных носителей с дискретной системой записи информации началась еще в 1804 г., когда Ж.Жаккаром для выработки тканей с крупным узором были впервые применены перфокарты – прямоугольные карточки из картона с выбитыми в них отверстиями. На них информация об узоре записывалась в виде определенной последовательности, считывание информации с которых осуществлялась контактным способом с помощью специальных подпружиненных штырей.

В конце 19-ого века была изобретена перфолента, которая впервые была применена 1892 г. в полиграфии для автоматизированного изготовления типографского набора с помощью монотипа (наборной машины). Перфолента в качестве носителя информации в конце 19-ого использовалась и в механическом музыкальном инструменте пианоле (фоноле).

Первоначально информация с перфолент и перфокарт считывалась механическим способом. Позднее стали применять электрические способы (сначала контактные иглы, а затем металлические щеточки). В двадцатом веке электрические способы были заменены на фотоэлементы и считывание информации стало производится бесконтактным оптическим способом на просвет.

Технология хранения информации в дискретной форме на бумажных и аналогичных им носителях, считывание которой производится оптическим способом и до сих пор сохраняет свою актуальность. В современных условиях обычная бумага или ее аналоги также будут являться машинными носителями, если на них зафиксирована информация в дискретной форме. Но с них информация считывает не на просвет, как с перфолент и перфокарт, а на отражение. Подобные носители называются штрих-кодами (bar-code) или символиками. Различают линейные (одномерные) и двумерные символики. Последние разработаны для кодирования большого объема информации.

Во второй половине 20-ого века темпы прогресса в области создания новых машинных носителей информации (МНИ) многократно ускорились. Обусловлено это было несколькими причинами.

Во-первых, требовалось добиться максимальной плотности записи информации на МНИ и минимизировать размеры последних. На перфокарте, используемой в электронно-вычислительной технике в 60-70-х годах, стандартно помещалось всего 80 символов. Для складирования перфокарт требовались огромные хранилища, стопка перфокарт размером с обычный накопитель на жестких магнитных дисках форм-фактора 3,5” содержала бы всего около 8 Кб информации, а для хранения информации объемом 1 Гб на перфокартах потребовалось бы помещение объемом более 60 куб.м. Информационная емкость перфоленты зависела от длины рулона и составляла обычно 10-100 Кб.

Во-вторых, необходимо было в максимальной степени сократить время записи информации на носитель и считывания ее. Скорость считывания информации с перфокарт зависела от конкретной реализации устройства считывания и в советских ЭВМ серии ЕС (конец 70-х годов) достигало 2000 перфокарт/мин. Запись информации («пробивка дырок») производилась со скоростью 10-250 перфокарт в минуту. Скорость считывания информации с перфолент составляла до 1500 строк в секунду, а скорость записи до 200.

В-третьих, МНИ должен был обеспечивать длительное (долговременное) хранение информации при его многократном использовании и возможность перезаписи. Как не парадоксально звучит, но перфокарты и перфокарты могли обеспечить срок хранения информации не менее 150-ти лет. Но помимо вышеуказанных недостатков, главным для них являлась изначально присущая им одноразовость носителя информации.

Выход был найден путем использования носителей с магнитной основой, первоначально на лентах, а затем на магнитных дисках. Эта технология и спустя нескольких десятилетий, что по компьютерным меркам является довольно большим сроком, до сих пор сохраняет актуальность.

В современных средствах цифровой техники, используются несколько видов машинных носителей информации, которые можно классифицировать по различным основаниям.

МНИ в первую очередь разделяются на две основные группы: энергозависимые и энергонезависимые.

К энергозависимым машинным носителям информации в основном относятся оперативные запоминающие устройства (ОЗУ или RAM), встроенные в средства цифровой техники.

Основным назначением ОЗУ является ускорение работы центрального микропроцессора. Скорость передачи данных из ОЗУ на их обработку в микропроцессор на несколько порядков больше, чем непосредственное считывание информации с иного носителя информации. ОЗУ является устройством временного хранения программ, необходимых для непосредственной работы СЦТ (операционные системы), программ для выполнения определенных задач (прикладные программы) и иной информации.

При отключении электропитания от ОЗУ информация, содержащаяся в его ячейках памяти, уничтожается (стирается) без какой-либо возможности ее восстановления.

Энергонезависимые носители (иногда их называют постоянными) по технологии записи, хранения и считывания информации подразделяются на три основные группы: электронные, магнитные и оптические.

Первыми энергонезависимыми носителями (не учитывая бумажные) стали накопители на магнитной ленте, а позднее были созданы накопители на магнитных картах, которые представляли собой прямоугольный отрезок носителя с магнитным покрытием. Информация на магнитных носителях могла быть перезаписана неоднократно, т.е. они относились к перезаписываемым запоминающим устройствам. В отличие от перфокарт и перфолент, магнитные ленты и карты хоть и не применяются в современных компьютерах, но используются в других областях, например в качестве носителя информации кредитных или идентификационных карточек. Носителем в них является магнитная полоса, закрепленная на носителе карточки. В настоящее время карточки с магнитной лентой (полосой) активно вытесняются смарт-картами и RFID-картами.

Практически любое средство цифровой техники укомплектовано электронным постоянным запоминающим устройством (ПЗУ или ROM), которое предназначены для длительного хранения информации. Информация, записанная в таком запоминающем устройстве при отключении питания, сохраняется достаточно длительное время и может быть по мере надобности использована неоднократно.

ПЗУ делятся на собственно ПЗУ и перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). В ПЗУ информация может быть записана один раз, а ППЗУ допускают многократную запись/стирание информации. В ПЗУ обычно записывают информацию (программы), которые сохраняют актуальность на весь период работы средств цифровой техники. В средствах компьютерной техники в ППЗУ записана BIOS (Basic Input Outpet System) - базовая система ввода-вывода. Запись информации в ПЗУ осуществляют с помощью специальных устройств с использованием различных технологий. В ПЗУ информация обычно записывается изготовителем СЦТ, а в ППЗУ - изготовителем однократно или многократно пользователем СЦТ.

К ППЗУ относят и так называемую память CMOS (Complimentary Metal-Oxide-Semicondactor), которая служит для хранения информации о каких-либо настраиваемых изготовителем или пользователем характеристиках или настройках СЦТ. И хотя микросхемы памяти CMOS и относят к энергонезависимым машинным носителям, в действительности же ее электропитание осуществляется с помощью специальных аккумуляторов.

Не рассматривая историю развития энергонезависимых машинных носителей, выделим лишь те, которые используются в настоящее время.

К магнитным относятся накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД).

Редко используемые в настоящее время НГМД форм-фактора 3,5 дюйма представляет собой гибкий диск (Floppy Disk (FD)) из полимерного материала с магнитным покрытием, заключенным в жесткий пластмассовый корпус. Запись информации и доступ к ней, производится при вращении диска в дисководе. Магнитные головки входят в непосредственный контакт с поверхностью магнитного диска, что обуславливает невысокие скорости записи/чтения информации и его недолговечность.

Применение НГМД в качестве переносимого носителя в современных условиях постепенно сходит на нет. Это обусловлено двумя основными причинами: недостаточный объем записываемой информации (всего 1,44 Мб) и проблемы хранения и доступа к записанной информации. Практически каждый из пользователей средств компьютерной техники сталкивался с ситуациями, когда дискета, записанная на одном компьютере, не читается на другом, или спустя какое-то время (иногда после перевозки в городском пассажирском электрическом транспорте) доступ к информации оказывается невозможен и на том же компьютере, на котором записывался НГМД.

Накопитель на жестких магнитных дисках представляет собой устройство, в котором на оси установлен один или несколько дисков (пластин), изготовленных из сплава на основе алюминия или из специальной керамики с магнитным покрытием.

Диски вращаются с помощью двигателя, установленного в корпусе НЖМД. Головки чтения/записи информация «парят» над поверхностью дисков, не касаясь их, на расстоянии нескольких микрон и перемещаются относительно поверхности дисков (позиционируются) с помощью прецизионного механизма. Диски и головки чтения/записи изолированы в герметичном отсеке (гермоблоке), предотвращающем попадание пыли и посторонних загрязнений.

Емкость НЖМД постоянно увеличивается и сегодня достигает двух терабайт (2000 Гб).

НЖМД различаются между собой по количеству и диаметру устанавливаемых в них дисков. Сегодня выпускаются НЖМД следующих основных типоразмеров: 3,5, 2,5 и 1,8 дюйма. В подавляющем большинстве случаев НЖМД встраиваются в средства компьютерной техники (настольные и переносимые компьютеры). Выпускаются и НЖМД с меньшими размерами дисков (например, 1,3, 1,0 и 0,85 дюйма), которые используются в качестве мобильных (переносимых) накопителей, или они устанавливаются в различные модели средств цифровой техники (например, цифровые видеокамеры, музыкальные плееры).

НЖМД имеют полувековую историю. По оценкам специалистов в настоящее время доля информации, записанной на НЖМД, составляет чуть более 90% (в это объем входит только информация долговременного архивного хранения).

Реальности современного мира приводят к тому, что пользователям компьютерных средств либо не хватает емкости, первоначально установленного в компьютере НЖМД, либо требуется хранить большие объемы цифровой информации, доступ к которой осуществляется непостоянно. Для выхода из подобных ситуации стали выпускать внешние накопители, представляющие собой отдельное устройство, в которое устанавливается один или несколько НЖМД. Электропитание внешних накопителей на НЖМД формфактора 3,5” обычно осуществляет от сети переменного тока, а мобильных (переносимых) НЖМД меньших типоразмеров, монтируемых в легкие защитные корпуса - через один или два разъема USB.

В последнее время широкое распространение получают так называемые NAS-системы (Network Attached Storage) - сетевые устройства хранения данных, представляющие собой управляющий компьютер с большим (от единиц до сотни терабайт) дисковым массивом. Несколько таких компьютеров могут быть объединены в одну систему и использоваться в качестве общего устройства хранения информации в корпоративных компьютерных сетях.

Основным предназначением NAS-систем является предоставление сервисов для хранения данных другим устройствам в сети. Операционная система и программы NAS-модуля обеспечивают работу хранилища данных и файловой системы, доступ к файлам, а также контроль над функциями системы. Обычно NAS-системы не имеют экрана и клавиатуры, а управляются и настраиваются по сети, подсоединяясь к устройству по его сетевому адресу, обеспечивая высокую надёжность хранения данных, простоту доступа для многих пользователей, легкость администрирования (управления) и масштабируемость (увеличение емкости).

Несмотря на распространенность НЖМД, обусловленную самой низкой себестоимостью хранения информации, они обладают несколькими существенными недостатками. Во-первых, это наличие механической части в приводах НЖМД, выход из строя которой может привести к потере доступа к записанной информации. Во-вторых, что особенно критично для ноутбуков и мобильных НЖМД, они чувствительны к механическим воздействиям (ударам). И, в-третьих, вращение дисков в НЖМД различных моделей со скоростью от 5000 до 15000 оборотов в минуту, даже при отсутствии непосредственного контакта головок с поверхностью диска, приводит к постепенному разрушению магнитного слоя. Считается, что средний срок эксплуатации НЖМД, при его работе порядка 40 часов в неделю, составляет порядка 4-5 лет.

Недостатки, присущие НГМД и НЖМД, были устранены в твердотельных SSD (Solid State Drive, Solid State Disk) накопителях, являющихся разновидностью электронной твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. Некоторые типы SSD компактных накопителей носят название флэш-накопители (от англ. Flash -плоский).

Информация, записанная на SSD-накопителях, может быть считана сколько угодно раз, но на запись информации накладываются чисто физические ограничения (теоретически - около миллиона циклов, а фактически средняя наработка SSD на отказ составляет порядка 100 тысяч циклов перезаписи, но что все равно на несколько порядков больше, чем могут выдержать НГМД, НЖМД или перезаписываемые оптические носители).

В отличие от НЖМД, SSD-накопители не содержат подвижных частей, более надежны и компактны, и благодаря этому, а также из низкого потребления электроэнергии, широко используется в портативных устройствах - цифровых фотокамерах и видеокамерах, цифровых диктофонах, МР3-плеерах, карманных персональных компьютерах (КПК), мобильных телефонах, смартфонах, коммуникаторах и т.п. Кроме того, SSD-накопители используются для хранения (и время от времени обновляемого) программного обеспечения в различных устройствах (например, принтерах и сканерах).

Основным недостатком SSD является высокое соотношение цена/объём записанной информации, превышающее этот параметр у НЖМД в 4‑5 раз.

Первыми по времени начала практического использования и самыми большими по размеру из всех флэш-накопителей стали так называемые PC Card, которые первоначально обозначались как PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). PC Card снабжена собственным контроллером (устройством управления процессами записи/чтения), обеспечивающего эмуляцию (подобие) работы обычного НЖМД.

В настоящее время наиболее распространенными являются следующие типы SSD флэш-накопителей: Compact Flash (CF), MultiMedia Card (MMC), SD Card, Memory Stick, SmartMedia, xD-Picture Card. Существуют и другие различные портативные форм-факторы флэш-памяти, однако встречаются они намного реже перечисленных.

В подавляющем большинстве случаев SSD флэш-накопители используются в цифровых фотоаппаратах, видеокамерах,мобильных телефонах, смартфонах, коммуникаторах и в иной цифровой технике.

В настоящее время наблюдается устойчивая тенденция к замене (особенно в мобильных компьютерах) НЖМД на SSD-накопители большой емкости, которые представляют корпус с расположенной внутри него электронной платой, на которой установлено несколько микросхем памяти и контроллер. SSD-накопители выпускаются в корпусах различных форм-факторов, аналогичных корпусам НЖМД.

LaserDisc (LD) - первый коммерческий оптический носитель данных, информация с которых считывалась на отражение, имел диаметр 30 см (формат стандартной грампластинки). На LD, которые выпускались с 1978 г. по 2001 г., записывались аудио- и аудиовизуальные произведения.

Технологии, отработанные при изготовлении LD, затем были использованы в современных оптических носителях. Впервые запись музыкальных программ на оптические диски диаметра 120 мм, которые стали обозначаться аббревиатурой CD (Compact Disc), была осуществлена в 1982 г. фирмами Sony и Philips.

Изначально на CD-ROM записывалось путем механической штамповки до 650 Мб информации (или 74 минуты звукозаписи). Начиная с 2000 г. стали выпускаться CD объёмом 700 Мб, которые позволяли записать 80 минут аудиоинформации. Встречаются CD объёмом 800 Мб (90 минут), однако они могут читаться лишь на отдельных моделях приводов CD. Выпускаются также CD диаметром 80 мм и емкостью 210 Мб.

В 1995 г. были созданы приводы для записи информации на CD самостоятельно пользователям средств компьютерной техники. Запись осуществлялась на диски, получивших название CD-R (CD Recordable – диски для однократной записи). В CD-R в качестве фиксирующего информацию активного материала использовали пленки легкоплавких металлов (теллур) или сплавов (теллур-селен, теллур-углерод, теллур-селен-свинец и др.) или органические красители, воздействие на которые излучением лазера приводило к их локальному потемнению (т.е. изменению коэффициента отражения материала).

Практически одновременно с CD-R появились и перезаписываемые компакт-диски - CD-RW (Compact Disc ReWritable). В них в качестве активного материала использовались неорганические вещества, которые под действием светового воздействия лазерным лучом переходили из аморфного агрегатного состояния в кристаллическое и наоборот, различающиеся между собой по коэффициенту отражения. Считается, что информация на CD-RW может быть удалена и вновь записана около 1000 раз. Процесс записи на оптические диски с помощью лазерного луча называется «прожигом» (от англ. - to burn).

В начале второй половины 1990-х годов появились DVD (Digital Versatile Disk)- цифровой универсальный (многоцелевой) диск, которые первоначально обозначались как - Digital Video Disc. На DVD можно было хранить (записывать) бо́льший объём информации за счёт использования лазеров с меньшей длиной волны, чем для обычных компакт-дисков. Первый привод, поддерживающий запись DVD-R, выпущен компанией Pioneer в 1997 г. Для считывания и записи DVD используется лазер с длиной волны 650 нм.

Физически DVD может иметь одну или две рабочие стороны и один или два рабочих слоя на каждой стороне, которые разделяются промежуточным полуотражающим слоем. При считывании информации лазер фокусируется на первом или втором слое. От количества рабочих слоев и рабочих сторон зависит ёмкость диска.

Blu-ray Disc - BD (англ. blue ray - голубой луч и disc - диск) - формат оптического носителя, используемый для записи и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости с повышенной плотностью. Стандарт BD был совместно разработан консорциумом нескольких компаний, включая Sony. BD получил своё название от использования для записи/чтения коротковолнового (405 нм) «синего» (технически сине-фиолетового) лазера. Коммерческий запуск формата BD прошел весной 2006 года.

Однослойный BD может хранить 23,3/25/27 или 33 Гб, двухслойный диск может вместить 46,6/50/54 или 66 Гб. В разработке находятся диски вместимостью 100 Гб и 200 Гб с использованием соответственно четырёх и восьми слоёв. Выпущены однослойные и двухслойные варианты BD диаметром 80 мм (для двухслойного емкость достигает 15 Гб), которые предназначены для использования в цифровых фото- и видеокамерах.

BD-Live (Blu-ray Disc - Live) - технология Sony, используемая в Blu-ray дисках с записанным мультимедийным контентом для реализации интерактивных функций. Функция BD-Live предоставляет дополнительные возможности доступа к онлайн-играм, блогам, конкурсам и другим онлайновым сервисам. После активации BD-Live также появляется возможность загрузки дополнительных материалов о фильме, которых нет на диске, например, интервью с актёрами и режиссёром. Для доступа к этим материалам необходимо посетить специальную страничку, посвящённую фильму, и скачать нужную информацию на внешнее USB-устройство.

HVD (Holographic Versatile Disc - голографический многоцелевой диск) разрабатываемая несколькими компаниями перспективная технология производства оптических дисков, которая предполагает значительно увеличить объём хранимых на диске данных по сравнению с BD Blu-Ray и HD DVD. Она использует технологию голографической (объемной) записи информации в рабочем слое, с одновременным применением двух лазеров (в красной (650 нм) и зеленой (532 нм) области спектра). Предполагаемая информационная ёмкость HVD может достигать 3,9 терабайт (Tб), что сравнимо с 6000 CD, 830 DVD или 160 однослойными дисками Blu-ray. Скорость передачи данных с HVD определяется на уровне 1 Гб/сек. Стандарт HVD года был утверждён и опубликован в конце июня 2007 г.

Дата добавления: 2015-08-09