Виды носителей информации. Хранение информации. 2

Виды носителей информации. Хранение информации

В первую очередь надо понять что такое носитель информации и для чего он, собственно, нужен. Носитель информации – это любая физическая среда, непосредственно хранящая информацию. Основным носителем информации для человека является его собственная биологическая память (мозг человека). Собственную память человека можно так же назвать оперативной памятью. Здесь слово “оперативный” является синонимом слова “быстрый”. Заученные знания воспроизводятся человеком мгновенно. Собственную память мы еще можем назвать внутренней памятью, поскольку ее носитель – мозг – находится внутри нас. Про него так же можно сказать, что Носитель информации — это строго определённая часть конкретной информационной системы, служащая для промежуточного хранения или передачи информации.

Первые носители информации появились с появлением человека. В каждом времени Н/И определялись тем, какие требования к нему предъявлялись.

 В древние  времена обмен информацией был  самый примитивный - рисунки на скалах. Однако их хватало ненадолго: рисунки смывало дождем или они сами стирались от старости. Поэтому для увеличения надежности хранения информации люди стали выбивать силуэты животных острым камням на скалах, но и этот способ оставлял желать лучшего, поскольку был слишком неудобным и долгим. Следующим этапом человек начал использовать для записи глину, которая имела свойства камня (сохранность информации), а её пластичность и удобство позволяла повысить эффективность записи. В свою очередь возможность эффективной записи способствует появлению письменности. Более пяти тысяч лет назад появляется (достижение шумерской цивилизации, территория современного Ирака) письменность на глине (уже не рисунки, а похожие на буквы значки и пиктограммы). Шумеры выдавливали знаки на табличках из сырой глины заострённой тростниковой палочкой, которая называлась клином, отсюда и выходит название — клинопись. Но глина была тяжела для больших текстов, а потребность в них возрастала. Поэтому на смену ей должен был появиться другой носитель.

И в начале третьего тысячелетия до н. э. в Египте появляется новый носитель, обладающий улучшенными параметрами по сравнению с глиняными табличками. Там научились делать почти настоящую бумагу из папируса (высокого травянистого растения). (От слова «папирус» произошло название бумаги в некоторых языках: фр. papier — во французском и немецком, англ. paper — в английском). Пучок листьев папируса похож на лучи солнца (бог Ра), срез трёхгранного стебля имеет форму пирамиды, поэтому растение считалось царским. Однако большим недостатком данного носителя являлось то, что со временем он темнел и ломался. Дополнительным недостатком же стало то, что египтяне ввели запрет на вывоз папируса за границу.

Недостатки прошлых носителей информации (глина, папирус, воск) стимулировали поиск новых решений. В 105 году в Китае по приказу императора Лю Чжао был разработан способ производства бумаги (который не сильно изменился и по сию пору). Некоторые историки утверждают, что Цай Лунь подсмотрел процесс изготовления бумаги у бумажной осы (строит гнездо из ею пережёванных и смоченных клейкой слюной волокон древесины). Однако сейчас найдены свидетельства в пользу того, что бумагу начали делать ещё раньше.

К слову, в древней Руси, как носитель, использовалась берёста (верхний слой берёзовой коры). Буквы на ней прорезывали писалом (костяная или металлическая палочка).

К концу XVI века на Руси появляется своя бумага (в русский язык слово «бумага» пришло скорее всего из итальянского, bambagia — хлопок).

Так продолжалось до ХIV века, когда были изобретены машины, требующие программирования на определённую задачу. Так в 1804 году появились первые носители информации, предназначенные для использования в системах автоматической обработки данных. Они были сделаны из тонкого картона и передавали информацию наличием или отсутствием отверстий в определенных позициях.

Такие носители информации назывались перфокартами. Впервые их стали применять в ткацких станках Жаккарда (1808) для управления узорами на тканях. В информатике перфокарты впервые были применены в «интеллектуальных машинах» коллежского советника С.Н. Корсакова (1832), механических устройствах для информационного поиска и классификации записей. В конце XIX в. началось использование перфокарт для обработки результатов переписей населения в США.

Отцом современной компьютерной перфокарты является американский изобретатель и предприниматель Герман Холлерит. В 1890 г. Холлерит, решив механизировать обработку данных по переписи населения США, разработал систему табуляции перфокарт. С помощью ее возросшее население страны было подсчитано и классифицировано категориям в три раза быстрее, чем это сумела сделать целая армия чиновников десятью годами ранее. По меткому замечанию одного современника Холлерита, результаты были получены «тогда, когда они еще представляли интерес».

После триумфа устройства Холлерита табуляторы с перфорационным вводом данных стали одним из основных инструментов американского делового мира. Сам Холлерит основал компанию по производству табуляционных машин, которая впоследствии, слившись с несколькими другими фирмами, превратилась в корпорацию IBM - гигант компьютерной индустрии. 

Поддержка использования данного носителя информации вызвала появление индустрии по производству широкого класса специализированного оборудования — раскладочно-подборочных, расшифровочных и других машин.

Перфокарты так же поначалу использовались в компьютерах первого поколения, примерно с 1920 по 1950 год. Там они выполняли роль основного носителя при хранении и обработке данных.

Обычно карты вводились в компьютер колодами по несколько сот штук в каждой. Устройство считывания перфокарт, аналогичное тому, которое изобрел еще Холлерит, анализировало каждую карту, прижимая ее к плоской металлической пластине и проводя по ней чувствительными щеточками из тонкой проволоки. Когда щеточки, проходя по поверхности карты, натыкались на отверстия и входили в контакт с расположенной под перфокартой металлической пластинкой, замыкая электрическую цепь, возникал сигнал. Каждый сигнал компьютер воспринимал как элемент информации. Специальное устройство проверяло правильность набитых оператором данных, а при износе карты заменяли новыми путем дублирования.

Первой же альтернативой перфокартам, как носителям данных ввода-вывода, стала перфорационная бумажная лента; ее преимущество заключалось в том, что закодированные данные записывались на непрерывный носитель, а не на отдельные карты большой колоды.

Существовало много разных форматов перфокарт; наиболее распространённым был «формат IBM», введённый в 1928 г. — 12 строк и 80 колонок. первоначально углы были острые, а с 1964 г. — скруглённые (впрочем, в СССР и позже использовали карты с нескруглёнными углами). К слову, что по приблизительным подсчетам, гигабайт информации, представленной в виде перфокарт весил бы примерно 22 тонны.

При работе в двоичном режиме перфокарта рассматривается как двумерный битовый массив; допустимы любые комбинации пробивок. Например, в системах IBM 701 машинное слово состояло из 36 бит; при записи данных на перфокарты в одной строке пробивок записывалось 2 машинных слова (последние 8 колонок не использовались), всего на одну перфокарту можно было записать 24 машинных слова.

При работе с перфокартами в текстовом режиме каждая колонка обозначает один символ; таким образом, одна перфокарта представляет строку из 80 символов. Допускаются лишь некоторые комбинации пробивок. Наиболее просто кодируются цифры — одной пробивкой в позиции, обозначенной данной цифрой. Буквы и другие символы кодируются несколькими пробивками в одной колонке. Отсутствие пробивок в колонке означает пробел (в отличие от перфоленты, где отсутствие пробивок означает пустой символ). В системе IBM/360 были определены комбинации пробивок для всех 256 значений байта (например, пустой символ обозначался комбинацией 12-0-1-8-9), так что фактически в текстовом режиме можно было записывать и любые двоичные данные.

Для удобства работы с текстовыми данными вдоль верхнего края перфокарты часто печатались те же символы в обычном читаемом виде.

Позже, в течение 70-х — начале 80-х, они использовались уже только для хранения информации и постепенно были замещены гибкими магнитными дисками большого размера. В настоящее время перфокарты не используются нигде, кроме устаревших систем, однако оставили свой след в компьютерной технике: отображаемый по умолчанию текстовый видеорежим дисплеев подавляющего большинства компьютерных устройств содержит по горизонтали 80 знакомест, ровно столько, сколько их было на стандартной перфокарте.

Главным преимуществом перфокарт было удобство манипуляции данными — в любом месте колоды можно было добавить карты, удалить, заменить одни карты другими (т.е. фактически выполнять многие функции, позже реализованные в интерактивных текстовых редакторах).

Так было до того момента, как появились магнитные ленты. Обычно началом истории магнитной ленты, как средства хранения компьютерных данных считается весна 1952 года, когда лентопротяжка впервые была подключена к машине, специально предназначенной для научных расчетов. Хотя изобретены они были в Германии в 1930е годы. Магнитная лента — это носитель информации в виде гибкой ленты, покрытой тонким магнитным слоем. Информация на магнитной ленте фиксируется посредством магнитной записи. Устройства для записи звука и видео на магнитную ленту называются соответственно магнитофон и видеомагнитофон.

Магнитная лента произвела революцию в вещании и записи. Вместо прямых эфиров в телевизионном и радиовещании стало возможным производить предварительную запись программ для последующего воспроизведения. Первые многодорожечные магнитофоны позволяли производить запись на несколько раздельных дорожек от различных источников, а затем впоследствии сводить их в конечную запись с наложением необходимых эффектов. Также развитию компьютерной техники послужила возможность сохранения данных на длительный период с возможностью быстрого доступа к ним.

Технологическое разнообразие ленточных устройств было очень велико, и все же в качестве критерия классификации можно выбрать ширину ленты. Младший класс- ленты широтой 4 миллиметра, средний- 8-миллиметроввые ленты, старший- полудюймовые ленты.

К младшему классу можно отнести технологии, построенные на форматах QIC и 4mm DAT. От более мощных устройств они отличаются не столько объемами хранения, сколько цифрами, характеризующими скорость обмена, работоспособность и надежность хранения. По показателям времени наработки на отказ они не уступают своим старшим собратьям, но при этом не предполагается непрерывная работа, устройство может быть занято не более 20% времени, количество циклов использования носителей может отличаться на порядки, заметно ниже гарантированный срок работоспособности носителя.

Средний класс использовал ленту шириной 8 миллиметров, в сюда можно объединить четыре формата:

1. Mammoth 1, 2 и 3, разработанные компанией Exabyte
2. Variable Speed Architecture (VXA), разработанный в Ecrix
3. Advanced Intelligent Tape (AIT), разработанный компанией Sony (S-AIT можно отнести к старшему классу)
4. Advanced Digital Recording (ADR), разработанный OnStream, дочерней компанией Philips.

Все эти форматы в той или иной степени предназначены для видеокамер и видеомагнитофоном, различающиеся между собой лишь характеристиками.

Старший класс магнитных лент представлен сегодня тремя стандартами: DLT (SDLT), LTO (LTO 2) и S-AIT. Все три могут быть использованы в ленточных библиотеках, поставляемых их основными производителями, компаниями Storage Technology и ADIC. S-AIT (Super Advanced Intelligent Tape), являющийся логическим продолжением восьмимиллиметрового формата AIT, первым на практике преодолел терабайтный барьер. Его емкость 500 Гбайт. На очереди вторая версия SAIT-2; в ней емкость будет увеличена в два раза, до 1 Тбайт при скорости обмена 60 Мбайт/с. В каждом из двух следующих поколений SAIT-3 и SAIT-4 характеристики будут последовательно удваиваться.

Следующей степенью развития носителей информации стали дисковые накопители. Они относятся к машинным носителям с прямым доступом. Понятие прямой доступ означает, что ПК может «обратиться» к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию.

Такие носители бывают трех видов:

1. Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), они же флоппи-диски, они же дискеты

2. Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), они же винчестеры

3. Накопители на оптических компакт-дисках:

1. CD-ROM (Compact Disk ROM)

2. DVD-ROM

Существуют и другие разновидности дисковых носителей информации, например, магнитооптические диски, но ввиду их малой распространенности мы их рассматривать не будем.

Некоторое время назад дискеты были самым популярным средством передачи информации с компьютера на компьютер, так как интернет в те времена был большой редкостью, компьютерные сети тоже, а устройства для чтения-записи компакт дисков стоили очень дорого. Дискеты и сейчас используются, но уже достаточно редко. В основном для хранения различных ключей (например, при работе с системой клиент-банк) и для передачи различной отчетной информации государственным надзорным службам.

Дискета — это портативный магнитный носитель информации, используемый для многократной записи и хранения данных сравнительно небольшого объема. Этот вид носителя был особенно распространён в 1970-х — начале 2000-х годов. Вместо термина «дискета» иногда используется аббревиатура ГМД — «гибкий магнитный диск». Обычно дискета представляет собой гибкую пластиковую пластинку, покрытую ферромагнитным слоем, отсюда английское название «floppy disk» («гибкий диск»). Эта пластинка помещается в пластмассовый корпус, защищающий магнитный слой от физических повреждений. Оболочка бывает гибкой или прочной. Запись и считывание дискет осуществляется с помощью специального устройства — дисковод (флоппи-дисковод). Дискета обычно имеет функцию защиты от записи, посредством которой можно предоставить доступ к данным только в режиме чтения. 

Дискеты требуют к себе очень аккуратного обращения, они могут быть повреждены, если:

• дотрагиваться до записывающей поверхности;

• писать на этикетке дискеты карандашом или шариковой ручкой;

• сгибать дискету;

• перегревать дискету (оставлять на солнце или около батареи отопления);

• подвергать дискету воздействию магнитных полей.

В качестве накопителей на жестких магнитных дисках широкое распространение в ПК получили накопители типа «винчестер». Термин винчестер возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 КВ (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30/30 известного охотничьего ружья «Винчестер». По сей день этот накопитель данных является основным в большинстве компьютеров.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома — магнитные диски. В НЖМД используется одна или несколько пластин на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образующейся у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках около 10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства.

Также, в отличие от гибкого диска, носитель информации обычно совмещают с накопителем, приводом и блоком электроники. Такие жёсткие диски часто используются в качестве несъёмного носителя информации.

Компакт-диск («CD», «Shape CD», «CD-ROM», «КД ПЗУ») — оптический носитель информации в виде диска с отверстием в центре, информация с которого считывается с помощью лазера. Изначально компакт-диск был создан для цифрового хранения аудио (т. н. Audio-CD), однако в настоящее время широко используется как устройство хранения данных широкого назначения (т. н. CD-ROM). Аудио-компакт-диски по формату отличаются от компакт-дисков с данными, и CD-плееры обычно могут воспроизводить только их (на компьютере, конечно, можно прочитать оба вида дисков). Встречаются диски, содержащие как аудиоинформацию, так и данные — их можно и послушать на CD-плеере, и прочитать на компьютере.

Оптические диски имеют обычно поликарбонатную или стеклянную термообработанную основу. Рабочий слой оптических дисков изготавливают в виде тончайших плёнок легкоплавких металлов (теллур) или сплавов (теллур-селен, теллур-углерод, теллур-селен-свинец и др.), органических красителей. Информационная поверхность оптических дисков покрыта миллиметровым слоем прочного прозрачного пластика (поликарбоната). В процессе записи и воспроизведения на оптических дисках роль преобразователя сигналов выполняет лазерный луч, сфокусированный на рабочем слое диска в пятно диаметром около 1 мкм. При вращении диска лазерный луч следует вдоль дорожки диска, ширина которой также близка к 1 мкм. Возможность фокусировки луча в пятно малого размера позволяет формировать на диске метки площадью 1-3 мкм. В качестве источника света используются лазеры (аргоновые, гелий-кадмиевые и др.). В результате плотность записи оказывается на несколько порядков выше предела, обеспечиваемого магнитным способом записи. Информационная ёмкость оптического диска достигает 1 Гбайт (при диаметре диска 130 мм) и 2-4 Гбайт (при диаметре 300 мм).

Широкое применение в качестве носителя информации получили также магнитооптические компакт-диски типа RW (Re Writeble). На них запись информации осуществляется магнитной головкой с одновременным использованием лазерного луча. Лазерный луч нагревает точку на диске, а электромагнит изменяет магнитную ориентацию этой точки. Считывание же производится лазерным лучом меньшей мощности.

Во второй половине 1990-х годов появились новые, весьма перспективные носители документированной информации - цифровые универсальные видеодиски DVD (Digital Versatile Disk) типа DVD-ROM, DVD-RAM, DVD-R с большой ёмкостью (до 17 Гбайт).

По технологии применения оптические, магнитооптические и цифровые компакт-диски делятся на 3 основных класса:

1. Диски с постоянной (нестираемой) информацией (CD-ROM). Они изготавливаются с помощью стеклянного диска-оригинала, на который наносится фоторегистрирующий слой. В этом слое лазерная система записи формирует систему питов (меток в виде микроскопических впадин), которая затем переносится на тиражируемые диски-копии. Считывание информации осуществляется также лазерным лучом в оптическом дисководе персонального компьютера. CD-ROM обычно обладают ёмкостью 650 Мбайт и используются для записи цифровых звуковых программ, программного обеспечения для ЭВМ и т.п.;

2. Диски, допускающие однократную запись и многократное воспроизведение сигналов без возможности их стирания (CD-R; CD-WORM - Write-Once, Read-Many - один раз записал, много раз считал). Используются в электронных архивах и банках данных, во внешних накопителях ЭВМ. Они представляют собой основу из прозрачного материала, на которую нанесён рабочий слой;

3. Реверсивные оптические диски, позволяющие многократно записывать, воспроизводить и стирать сигналы (CD-RW; CD-E). Это наиболее универсальные диски, способные заменить магнитные носители практически во всех областях применения. Они аналогичны дискам для однократной записи, но содержат рабочий слой, в котором физические процессы записи являются обратимыми. Технология изготовления таких дисков сложнее, поэтому они стоят дороже дисков для однократной записи.

В настоящее время оптические (лазерные) диски являются наиболее надёжными материальными носителями документированной информации, записанной цифровым способом. Вместе с тем активно ведутся работы по созданию ещё более компактных носителей информации с использованием так называемых нанотехнологий, работающих с атомами и молекулами. Плотность упаковки элементов, собранных из атомов, в тысячи раз больше, чем в современной микроэлектронике. В результате один компакт-диск, изготовленный по нанотехнологии, может заменить тысячи лазерных дисков.

Последний вышедший формат оптических носителей называется Blu-ray. Он используется для записи с повышенной плотностью и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости. Первый прототип нового носителя был представлен в октябре 2000 года. Коммерческий запуск формата Blu-ray прошёл весной 2006 года.

Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23,3 ГиБ (25 ГБ), двуслойный диск может вместить 46,6 ГиБ (50 ГБ), трёхслойный диск может вместить 100 ГБ, четырёхслойный диск может вместить 128 ГБ. Ещё в конце 2008 года японская компания Pioneer демонстрировала 16- и 20-слойные диски на 400 и 500 ГБ, способные работать с тем же самым 405-нм лазером, что и обычные BD-плееры. Компания Pioneer Electronics уже представила привод BDR-206MBK поддерживающий трёхслойный диск 100 ГБ и четырёхслойный диск 128 ГБ. На данный момент доступны диски BD-R (одноразовая запись), 

BD-RE (многоразовая запись), BD-RE DL (многоразовая запись) вместимостью до 46,6 ГиБ (50 ГБ).

В технологии Blu-ray для чтения и записи используется сине-фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм. Обычные DVD и CD используют красный и инфракрасный лазеры с длиной волны 650 нм и 780 нм соответственно (635 нм для DVD-R for Authoring).

Такое уменьшение позволило сузить дорожку вдвое по сравнению с обычным DVD-диском (до 0,32 мкм) и увеличить плотность записи данных.

И как последний вид носителей информации на сегодня, рассмотрим электронные носители. Вообще говоря, все рассмотренные ранее носители тоже косвенно связаны с электроникой. Однако имеется вид носителей, где информации хранится не на магнитных/оптических дисках, а в микросхемах памяти. Эти микросхемы выполнены по FLASH-технологии, поэтому такие устройства иногда называют FLASH-дисками (в народе просто «флэшка»). Микросхема, как можно догадаться, диском не является. Однако операционные системы носители информации с FLASH-памятью определяют как диск (для удобства пользователя), поэтому название «диск» имеет право на существование.

Самые первые USB-флеш-накопители появились в 2000 году. Их изобрели сотрудники израильской компании M-Systems. Первая флешка обладала 8 Мб памяти и стоила 50$, к концу года вышли модели на 16 Мб и 32 Мб (100$).

Флэш-память— разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. Флэш-память может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (обычно около 10 тысяч раз). Несмотря на то, что такое ограничение есть, 10 тысяч циклов перезаписи — это намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW. Стирание происходит участками, поэтому нельзя изменить один бит или байт без перезаписи всего участка (это ограничение относится к самому популярному на сегодня типу флэш-памяти — NAND). Преимуществом флэш-памяти над обычной является её энергонезависимость — при выключении энергии содержимое памяти сохраняется. Преимуществом флэш-памяти над жёсткими дисками, CD-ROM-ами, DVD является отсутствие движущихся частей. Поэтому флэш-память более компактна, дешева (с учётом стоимости устройств чтения-записи) и обеспечивает более быстрый доступ.