Лекционный материал по теме "Устройства хранения информации"

Вступление

 Стремительное развитие информационных технологий ставит все больше задач перед технологиями производственными. Одной из наиболее актуальных задач является создание носителей информации, отвечающих многим и многим требованиям.

А требования к носителям выдвигаются зачастую взаимоисключающие: компактные размеры и способность сохранять большие информационные массивы; низкая цена и высокое качество.

Каким же образом эта задача решалась и как происходила эволюция цифровых носителей информации? Обратимся к недавней истории…

Гибкие магнитные диски

Дискета, флоппи, а иначе – гибкий магнитный диск – покрытая ферромагнитным слоем пластина из гибкого пластика, заключенная в корпус, защищающий носитель от повреждений. Носители UVL пользовались широкой популярностью с  начала 70-х годов вплоть до начала нынешнего столетия.

Еще в 1971 году появилась дискета с размером 8”(200 мм). На рынок она так и не попала, дискета распространялась по фирмам и предприятиям, и вскоре была вытеснена из употребления более компактными ГМД.

Первая дискета диаметром  5,25” появилась благодаря стараниям владельца Shugart Associates Алана Шугерта в далеком 1976 году. Объем ее составлял 110 Кб, и в результате совершенствования достиг к 1984 году 1200 кБ. В 1981 году известная своими инновациями фирма Sony представляет дискету 3,5’’, 9 секторов которой вмещали 720 Кб. Позднее появилась версия 1,4 Мб (18 секторов), которая и обрела статус стандарта.

Объем дискет зависел от способа форматирования. Большинство ГМД  не содержали жестко сформатированных дорожек, что давало большой простор для экспериментов по их более эффективному использованию . Результатом этих экспериментов стало появление множества форматов, не совместимых даже под одними и теми же операционными системами.

Основным недостатком дискет была их недолговечность. Из-за деформации двигающегося на пружинке защитного кожуха они постоянно застревали в дисководе. Корпус не был надежной защитой от пыли и влаги, и многие помнят, как часто дискеты отказывались работать без видимых объяснимых причин. Закономерно, что массовый исход дискет из обихода начался с появлением более совершенных носителей.

lomega Zip

Носители формата Lomega Zip можно назвать промежуточным звеном после дискет.

Lomega Zip – накопители информации на гибких магнитных дисках, аналогичны дискетам, но имеющие больший размер. Были произведены фирмой Lomega в 1994 году.

Объем хранимой информации носителя Zip -100 достигал 100 мегабайт.

Формат был довольно популярен, но к 2000 году продажи резко уменьшились, а к 2007 году практически прекратились.

Компакт-диски, CD

Родителями компакт-диска считаются компании Sony и  Philips. В 1979 была разработана технология производства CD, и уже в 1982 начался массовый выпуск.

Существует и альтернативная версия истории возникновения радужного диска. Еще в 60-х годах американский физик и страстный меломан Джеймс Рассел разработал оптическую технологию, позволяющую избегать механического контакта между носителем и записывающим или воспроизводящим устройством.

Когда лабораторию, в которой работал Рассел, посетили сотрудники Philips и  ознакомились с инновацией, они признали изобретение интересным, но коммерчески бесполезным.

Но, как бы то ни было, в 1982 году был выпущен первый коммерческий компакт-диск с записью альбома группы АВВА. Массовое распространение CD по миру началось под красивую музыку.

С технологической точки зрения это поликарбонатный диск толщиной 1,2 мм и диаметром 120 мм, покрытый тончайшим слоем металла, защищенного слоем лака. Разработанный Philips формат Red Book позволяет записывать звук с 16-битовой импульсно-кодовой модуляцией в два канала. Благодаря коррекции ошибок, считывание с диска возможно при небольших повреждениях и царапинах.

Поначалу компакт-диск предназначался для записи аудио, но со временем стал использоваться для хранения и других данных.  Диски классифицируются, как «диск только для чтения» (CD-ROM, Read only memory), CD-R – диск для однократной записи, CD-RW – позволяет совершать запись многократно. Аудио компакт-диски отличаются форматом от дисков с другой информацией, и многие плееры могут не прочитать, например, диски с записью МР-3. Выпускаемые сейчас модели лишены этого недостатка.

Запись на диск осуществляется в виде спиральной дорожки, состоящей из выдавленных углублений – питов. Шаг дорожек в спирали составляет 1,6 мкм.

Изначально компакт-диски вмещали 650 Мб информации и были рассчитаны на 74 минуты звучания. Эталоном времени звучания стала Девятая симфония Бетховена. Эти диски были вытеснены с рынка появившимися в 2000 году 700-мегабайтными CD с временем звучания 80 минут. Существуют носители объемом 800 Мб и более, однако, широкого распространения они не получили, так как читаются далеко не всеми приводами.

Не обошлось и без экзотики – так называемые Shape-CD, носитель типа CD-ROM, но не круглой, а произвольной формы. Такие диски могут быть интересны разве что в качестве сувенира, так как при высокой скорости некруглый диск может лопнуть и вывести привод из строя.

Super Audio Compact Disc (SACD)

Формат нового поколения, разработанный фирмами Sony и  Philips. Запись осуществляется с помощью формата DSD, который позволяет добиться более высокого по сравнению с CD-аудио качества звучания.

По существу, формат является записью со сжатием, подобно формату МР-3. Запись может содержать до 6 каналов, и для ее воспроизведения требуется совместимый проигрыватель.

Также на диске может содержаться дополнительный слой, совместимый с обычными проигрывателями. Такие диски называются гибридными, их можно воспроизводить с помощью любых переносных и стационарных проигрывателей.

Около половины всех выпущенных SACD дисков являются гибридными, однако, маркировка о совместимости с обычным проигрывателем на них отcутствует. Приобретая такой диск, необходимо уточнить о совместимости у продавца.

Продолжительность звучания супер-аудио диска может достигать 109 минут.

DVD (Digital Versatile Disc)

Аббревиатура поначалу расшифровывалась Digital Video Disc, так как формат был создан для записи видео. Но диск подходил и для хранения произвольной информации, что дало повод назвать его «многоцелевым»

Первые DVD диски и плееры появились в Японии в 1996 году, через год новинка добралась до Соединенных Штатов. Еще в начале десятилетия начались работы над стандартами оптических носителей высокой плотности.

С одной стороны они велись Sony и Philips (стандарт Multimedia Compact Disc), Toshiba и ряд других корпораций разрабатывали стандарт Super Disc. Позже все усилия по разработке были объединены под крылом IBM, что дало возможность избежать «войны стандартов».

Официальное представление DVD состоялось в сентябре 1995 года. Первый поддерживающий запись DVD-R привод появился благодаря усилиям Pioneer осенью 1995 года.

Для записи и воспроизведения используется красный лазер, длина волны 650 нанометров. DVD классифицируются, как DVD-Audio, DVD-Video и DVD-Data, соответственно, для записи аудио с гораздо более высоким качеством, чем на аудио-CD; записи видео и записи любых других данных. DVD позволяет на один диск записывать данные разных типов.

Появление двухслойных DVD значительно увеличило объем содержащейся на диске информации. Более того, имея две рабочих стороны, диск может иметь на каждой из них по два рабочих слоя. Эта многослойность позволила создать диски с объемом 17,1Gb.

Форматы DVD+R и DVD-R

Стандарт DVD-R(RW) появился в 1997 году и, казалось бы, удовлетворял всем предъявляемым к нему требованиям. Но в связи со слишком высокой ценой лицензии на него, многие производители отказались от применения DVD-R.

Объединившись в “DVD+RW Alliance”, к середине 2002 года совместными усилиями ими был разработан стандарт DVD+R(RW) с гораздо меньшей ценой лицензии. Все приводы могут читать оба формата, и пока речь об отказе от одного из них в пользу другого не идет.

DVD-Audio

Формат создан для возможности высококачественного воспроизведения аудиозаписей. Формат дает возможность осуществления записи с разным числом каналов, от моно вплоть до 5.1, что является важным преимуществом перед другими форматами аудиозаписи.

Наличие пяти каналов позволяет распределять звук в трехмерном пространстве, открывая новые возможности использования звуковых эффектов.

Существует две версии формата – DVD-Audio для записи звука, и DVD-Audio-V, позволяющий записывать кроме звука и дополнительную информацию.

DVD-Video

Для воспроизведения дисков этого формата нужен DVD привод и декодер MPEG-2, что обеспечивает любой бытовой ди-ви-ди проигрыватель.

Информация на диске сжата с использованием алгоритма MPEG-2 для видео и различных многоканальных форматов для аудио.

Blu-Ray Disc

Blu-Ray Disc (искаж. англ. blue-ray -  голубой луч) получил свое имя от коротковолнового «синего» лазера, используемого при записи. Стандарт был разработан для записи и хранения информации с высокой плотностью. За счет записи при помощи луча с короткой волной удалось сузить дорожку, что увеличило плотность записи информации.

Диски формата Blu-Ray были запущены в продажу весной 2006 года.

Однослойный Blu-Ray диск вмещает 33 Gb информации, двухслойный же может стать хранилищем для 54 Gb. Идут работы над созданием 4- и 6-слойных дисков с емкостью соответственно 100 и 200 Gb. Кроме дисков со стандартным диаметром 120 мм. производятся 80-миллиметровые диски, предназначенные для фото- и видеокамер. В настоящее время можно приобрести диски BD-R и  BD-RE, ведутся работы над созданием формата BD-ROM.

По причине того, что информация на диске хранится очень близко к поверхности, первые диски обладали повышенной чувствительностью к любым механическим повреждениям. Это давало повод для сомнений в их конкурентоспособности по отношению к дискам других форматов. В 2004 года компания TDK разработала полимерное покрытие, которое дало дискам гораздо более высокий уровень защиты. Производители утверждают, что защищенные покрытием Durabis диски остаются работоспособными даже будучи поцарапанными отверткой.

Грамматическая ошибка в написании формата умышлена. Дело в том, что фраза ”blue ray”, голубой луч, слишком распространена в англоязычных странах, и не могла быть использована в качестве торговой марки.

HD-DVD (High-Density DVD)

Основным соперником Blu-Ray до недавнего времени был HD-DVD (DVD высокой емкости).

Технологические секреты записи оптических дисков высокой емкости были открыты специалистами компаний Toshiba, Sanyo и NEC. Однослойный диск имеет объем 15 Gb, двухслойный – вдвое больший.

Также Toshiba был представлен трехслойный диск, который позволяет хранить до 45 Gb информации. Важным обстоятельством в пользу HD DVD был тот факт, что оборудование, предназначенное для производства DVD без особого труда можно было перенаправить.

Однако, «война форматов» закончилась поражением HD DVD:  19.02.2008 компания Toshiba официально заявила о прекращении поддержки HD DVD. Немаловажным аргументом для принятия этого решения был отказ от HD DVD многих голливудских киностудий.

HD-VMD (High-Density Versatile Multilayer Disc)

Формат был создан для записи и хранения высококачественного видео и другой информации. Английская компания New Media Enterprises объявила о новом стандарте в 2006 году.

Одна сторона диска может вместить до 5 Gb контента, многослойность диска (количество слоев достигает20) позволяет довести его емкость до 100 Gb.

UDO (Ultra Density Optical)

Формат для записи высококачественного видео.  UDO- носитель – это картридж размером 5,25”, содержащий оптический диск. Разработка стандарта началась в 2000 году, осенью того же года фирма Sony представила первую версию UDO.

Над совершенствованием формата работают такие известные производители, как Verbatim, Hewlett-Packard, и, конечно, инициатор разработки Sony.

Для записи дисков формата UDO может использоваться и красный лазер, и сине-фиолетовый. Во втором случае объем размещаемой на диске информации может достигать 500 Gb.

MiniDisc, MD

Когда в начале 1992 года на рынке появился новый носитель, выпустившая минидиск фирма Sony рекламировала его как альтернативу компакт-кассетам, потерявшим к тому времени былую популярность.  Формат позволяет хранить и многократно перезаписывать любую цифровую информацию.

У нас минидиск не получил широкого распространения как бытовой аудионоситель. Причиной тому стала недостаточная насыщенность рынка воспроизводящими устройствами.

Однако, в профессиональной музыкальной среде минидиск снискал уважение за компактность, удобство обращения и высокое качество воспроизведения.

Магнитооптические диски, МО 

Работа магнитооптического диска, что видно из названия носителя, основывается на использовании  магнитной и лазерной технологий. Диск покрыт сплавом, сохраняющим магнитное поле.

При записи кристаллы сплава разогреваются лазерным лучом  и перемещаются под воздействием пишущей магнитной головки. Считывание информации происходит за счет отражения луча кристаллами.

В настоящее время используются МО диски размеров 5,25’’ и 3,5’’. Диск, содержащийся в пластиковом картридже, надежно защищен от всяческих неблагоприятных воздействий. Емкость дисков 3,5’’ достигает 640 Mb, диски 5,25’’ вмещают  4,6 Gb.

Появление flash-памяти

Флэш-память мир получил благодаря сотруднику корпорации Toshiba Фудзи Масуока. Название новому носителю придумал один из его друзей, которому скорость стирания информации показалась такой же быстрой, как фотовспышка (англ. flash).

В 1984 году изобретатель представил свою разработку на выставке International Electronic Devices Meeting, где ею весьма заинтересовалась компания Intel, которая вскоре представила на рынке первый флэш-чип.

Особенностью флэш-памяти является возможность неограниченного количества считываний при ограничении на количество перезаписей. Однако, учитывая, что допустимое количество записи  достигает 10 тысяч раз, можно и его признать практически неограниченным. Компактность и низкое потребление энергии позволили широко использовать флэш-память в девайсах, работающих на батарейках и аккумуляторах -   мобильных телефонах и смартфонах, КПК, фото- и видеокамерах, МР-3 плеерах.

Несомненным преимуществом флэш-памяти является отсутствие движущихся частей.

В настоящее время выпускается флэш-память двух основных типов – NOR (логика ячеек НЕТ-ИЛИ) и NAND, с логикой ячеек НЕТ-И.

Флэш-память получила известность благодаря применению в USB носителях. Как правило, используется NAND-тип памяти, подключаемый с помощью интерфейса USB MSC, который поддерживается всеми наиболее применяемыми операционными системами.

На флэш-памяти основаны и карты памяти Secure Digital и Memory Stick, которые нашли широкое применение в портативных устройствах.

Память NOR-типа используется в  BIOS и ROM-памяти различных устройств, таких, как маршрутизаторы, DSL-модемы и другие. Сейчас идут исследовании, направленные на замену жестких дисков флэш-памятью. Такая замена увеличит срок службы компьютера, так как не будут использоваться движущиеся части.

Типы карт памяти

Существует множество типов карт памяти, используемых в переносных устройствах (мобильные телефоны):

MultiMedia Card, ММС – содержит контроллер памяти и совместима с устройствами разных типов.

Reduced Size MultiMedia Card, RS MMC – для ее использования необходим адаптер, так как карта вдвое короче стандартной ММС, остальные характеристики аналогичны.

Dual Voltage Reduced Size MultiMedia Card, DV RS MMC – карты памяти с двойным питанием, пониженное энергопотребление позволяет устройству работать намного дольше.

Secure Digital Card, SD Card – стандарт является результатом развития стандарта ММС. Карта имеет защиту от несанкционированного копирования и случайного стирания информации.

Mini Secure Digital Card, mini SD – отличается уменьшенными размерами, для работы в устройствах со стандартным слотом применяется адаптер.

Micro Secure Digital Card, micro SD – в настоящее время являются самыми компактными устройствами съемной памяти. Широко применяются в коммуникаторах, телефонах и т.д., благодаря им можно значительно расширить память устройства, не увеличивая его размеры.

Memory Stick Duo, MS Duo – разработанная компанией  Sony съемная память, на данное время самая дорогая из всех существующих.

Несомненно, в настоящее время флэш-память стала самым используемым форматом для расширения памяти переносных устройств.  Информация, записанная на флэш может храниться до 100 лет, что, несомненно, превышает самые высокие потребительские нужды.

Карты флэш-памяти могут сопротивляться физическим нагрузкам в 5-10 раз превышающие допустимые нагрузки для жестких дисков.

Сейчас устройства флэш-памяти производятся более, чем 50 производителями, что обеспечивает широчайший ассортимент и дает потребителю возможность выбора.