Устройства хранения данных в персональных компьютерах

Информация, закодированная с помощью естественных и формальных языков, а также информация в форме зрительных и звуковых образов хранится в памяти человека.

Однако для долговременного хранения информации, ее накопления и передачи из поколения в поколение используются носители информации.

Материальная природа носителей информации может быть различной:

• молекулы ДНК, которые хранят генетическую информацию;
• бумага, на которой хранятся тексты и изображения;
• магнитная лента, на которой хранится звуковая информация;
• фото- и кинопленки, на которых хранится графическая информация;
• микросхемы памяти, магнитные и лазерные диски, на которых хранятся программы и данные в компьютере, и так далее.

По оценкам специалистов, объем информации, фиксируемой на различных носителях, превышает один эксабайт в год. Примерно 80% всей этой информации хранится в цифровой форме на магнитных и оптических носителях и только 20% - на аналоговых носителях (бумага, магнитные ленты, фото- и кинопленки).

Большое значение имеет надежность и долговременность хранения информации. Большую устойчивость к возможным повреждениям имеют молекулы ДНК, так как существует механизм обнаружения повреждений их структуры (мутаций) и самовосстановления.

Надежность (устойчивость к повреждениям) достаточно высока у аналоговых носителей, повреждение которых приводит к потере информации только на поврежденном участке. Поврежденная часть фотографии не лишает возможности видеть оставшуюся часть, повреждение участка магнитной ленты приводит лишь к временному пропаданию звука и так далее.

Цифровые носители гораздо более чувствительны к повреждениям, даже утеря одного бита данных на магнитном или оптическом диске может привести к невозможности считать файл, то есть к потере большого объема данных. Именно поэтому необходимо соблюдать правила эксплуатации и хранения цифровых носителей информации.

Наиболее долговременным носителем информации является молекула ДНК, которая в течение десятков тысяч лет (человек) и миллионов лет (некоторые живые организмы), сохраняет генетическую информацию данного вида.

Аналоговые носители способны сохранять информацию в течение тысяч лет (египетские папирусы и шумерские глиняные таблички), сотен лет (бумага) и десятков лет (магнитные ленты, фото- и кинопленки).

Цифровые носители появились сравнительно недавно и поэтому об их долговременности можно судить только по оценкам специалистов. По экспертным оценкам, при правильном хранении оптические носители способны хранить информацию сотни лет, а магнитные - десятки лет.

Определение объемов различных носителей информации

Носители информации характеризуются информационной емкостью, то есть количеством информации, которое они могут хранить. Наиболее информационно емкими являются молекулы ДНК, которые имеют очень малый размер и плотно упакованы. Это позволяет хранить огромное количество информации (до 1021 битов в 1 см3), что дает возможность организму развиваться из одной-единственной клетки, содержащей всю необходимую генетическую информацию.

Современные микросхемы памяти позволяют хранить в 1 см3 до 1010 битов информации, однако это в 100 миллиардов раз меньше, чем в ДНК. Можно сказать, что современные технологии пока существенно проигрывают биологической эволюции.

Однако если сравнивать информационную емкость традиционных носителей информации (книг) и современных компьютерных носителей, то прогресс очевиден:

• Лист формата А4 с текстом (набран на компьютере шрифтом 12-го кегля с одинарным интервалом) - около 3500 символов

• Страница учебника - 2000 символов

• Гибкий магнитный диск – 1,44 Мб

• Оптический диск CD-R(W) – 700 Мб

• Оптический диск DVD – 4,2 Гб

• Флэш-накопитель - несколько Гб

• Жесткий магнитный диск – сотни Гб

Таким образом, на дискете может храниться 2-3 книги, а на жестком магнитном диске или DVD - целая библиотека, включающая десятки тысяч книг.

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…

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.

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.

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.

Появление flash-памяти