Устройства хранения информации

ЦП Автоматизированные системы управления и промышленная безопасность

Запоминающее устройство — носитель информации , предназначенный для записи и хранения данных. В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям.

Классификация запоминающих устройств

По устойчивости записи и возможности перезаписи ЗУ делятся на:

· постоянные ЗУ ( ПЗУ ), содержание которых не может быть изменено конечным пользователем (например, DVD — ROM ). ПЗУ в рабочем режиме допускает только считывание информации.

· записываемые ЗУ, в которые конечный пользователь может записать информацию только один раз (например, D VD -R).

· многократно перезаписываемые ЗУ (например, DVD -RW).

· оперативные ЗУ ( ОЗУ ) обеспечивает режим записи, хранения и считывания информации в процессе её обработки.

По типу доступа ЗУ делятся на:

· устройства с последовательным доступом (например, магнитные ленты).

· устройства с произвольным доступом (RAM) (например, оперативная память).

· устройства с прямым доступом (например, жесткие магнитные диски).

· устройства с ассоциативным доступом (специальные устройства, для повышения производительности БД)

По геометрическому исполнению:

· дисковые ( магнитные диски , оптические, магнитооптические);

· ленточные ( магнитные ленты , перфоленты);

· барабанные ( магнитные барабаны );

· карточные ( магнитные карты , перфокарты, флэш-карты, и др.)

· печатные платы (карты DRAM ).

По физическому принципу:

· перфорационные ( перфокарта ; перфолента );

· с магнитной записью (ферритовые сердечники, магнитные диски, магнитные ленты , магнитные карты);

· оптические ( CD , DVD , HD-DVD , Blu-ray Disc );

· использующие эффекты в полупроводниках ( флэш-память ) и другие.

По форме записанной информации выделяют аналоговые и цифровые запоминающие устройства.

Содержание

Использование гибких дисков уходит в прошлое. Бывают двух типов и обеспечивают хранение информации на дискетах одного из двух форматов: 5,25′ или 3,5′. Дискеты формата 5,25′ в настоящее время практически не встречаются (максимальная емкость 1,2 Мб). Для дискет формата 3,5′ максимальная емкость составляет 2,88 Мб, самый распространенный формат емкости для них – 1,44 Мб. Гибкие магнитные диски помещаются в пластмассовый корпус. В центре дискеты имеется приспособление для захвата и обеспечения вращения диска внутри пластмассового корпуса. Дискета вставляется в дисковод, который вращается с постоянной угловой скоростью. Все дискеты перед употреблением форматируются – на них наносится служебная информация, обе поверхности дискеты разбиваются на концентрические окружности – дорожки, которые в свою очередь делятся на сектора. Одноименные сектора обеих поверхностей образуют кластеры. Магнитные головки примыкают к обеим поверхностям и при вращении диска проходят мимо всех кластеров дорожки. Перемещение головок по радиусу с помощью шагового двигателя обеспечивает доступ к каждой дорожке. Запись/чтение осуществляется целым числом кластеров, обычно под управлением операционной системы. Однако в особых случаях можно организовать запись/чтение и в обход операционной системы, используя напрямую функции BIOS. В целях сохранения информации гибкие магнитные диски необходимо предохранять от воздействия сильных магнитных полей и нагревания, так как такие воздействия могут привести к размагничиванию носителя и потере информации.

Накопитель на жестком диске относится к наиболее совершенным и сложным устройствам современного ПК. Его диски способны вместить многие мегабайты информации, передаваемой с огромной скоростью.Основные принципы работы жесткого диска мало изменились со дня его создания.Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидите только прочный металлический корпус. Он полностью герметичен и защищает дисковод от частичек пыли. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех.

керамики или стекла, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски.Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, поступающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и «запомнить». Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекращения действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск информация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности. Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двигателем, компактно расположенным под ним. Скорость вращения дисков, как правило, составляет 7200 об./мин. Для того, чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера должен иметь запас по пиковой мощности. Появление в 1999 г. изобретенных фирмой IBM головок с магниторезистивным эффектом (GMR – Giant Magnetic Resistance) привело к повышению плотности записи до 6,4 Гбайт на одну пластину в уже представленных на рынке изделиях.

Основные параметры жесткого диска:

• Емкость – винчестер имеет объем от 40 Гб до 200 Гб.
• Скорость чтения данных. Средний сегодняшний показатель – около 8 Мбайт/с.
• Среднее время доступа. Измеряется в миллисекундах и обозначает то время, которое необходимо диску для доступа к любому выбранному вами участку. Средний показатель – 9 мс.
• Скорость вращения диска. Показатель, напрямую связанный со скоростью доступа и скоростью чтения данных. Скорость вращения жесткого диска в основном влияет на сокращение среднего времени доступа (поиска). Повышение общей производительности особенно заметно при выборке большого числа файлов.
• Размер кэш-памяти – быстрой буферной памяти небольшого объема, в которую компьютер помещает наиболее часто используемые данные. У винчестера есть своя кэш-память размером до 8 Мбайт.
• Фирма-производитель. Освоить современные технологии могут только крупнейшие производители, потому что организация изготовления сложнейших головок, пластин, контроллеров требует крупных финансовых и интеллектуальных затрат. В настоящее время жесткие диски производят семь компаний: Fujitsu, IBM-Hitachi, Maxtor, Samsung, Seagate, Toshiba и Western Digital. При этом каждая модель одного производителя имеет свои, только ей присущие особенности.

Классифифкация средств долговремменого хранения информации

В качестве устройств хранения информации используются внешние запоминающие устройства, реализованные в виде соответствующих технических средств хранения информации. Все запоминающие устройства, используемые в ПК, имеют единый дизайн. Их размеры стандартизированы, ширина и высота устройств строго определены, глубина ограничена только максимально допустимым значением. Такая стандартизация необходима для унификации конструктивных отсеков корпусов персональных компьютеров.

Внешняя память может иметь произвольный и последовательный доступ. Устройства памяти случайного доступа позволяют получить доступ к любому блоку данных с приблизительно одинаковым временем доступа. Блоки памяти последовательного доступа обеспечивают последовательный доступ к данным, т.е. чтобы прочитать нужный блок памяти, необходимо прочитать все предыдущие блоки.

Мы выделяем следующие основные типы устройств хранения данных:

1. жесткие диски (HDD) — несъемные твердотельные магнитные диски. Они являются внешними запоминающими устройствами с прямым доступом к данным и делятся на внутренние, установленные в системном блоке компьютера, и внешние (портативные) по отношению к системному блоку.
2. дисководы (FDD) — устройства для записи и считывания информации с малых съемных магнитных дисков (дискет), упакованных в пластиковый корпус (гибкие — для 5,25-дюймовых дисков, жесткие — для 3,5-дюймовых дисков). Они называются внешними устройствами хранения данных с прямым (случайным) доступом к данным, хранящимся на магнитном диске, и предназначены для долговременного хранения относительно небольших объемов информации.
3. Устройства хранения информации на базе оптических дисков относятся к внешним устройствам хранения данных с прямым (случайным) доступом к данным и предназначены для долговременного хранения относительно больших объемов информации (сотни мегабайт и десятки гигабайт).
4. Информационное хранилище на базе флэш-памяти относится к внешним устройствам хранения данных с прямым (случайным) доступом к данным и предназначено для долговременного хранения относительно небольших объемов данных (несколько гигабайт).
5. магнитные ленточные накопители (MRD) — устройства, считывающие данные с магнитных лент, которые являются внешними устройствами последовательного доступа. Такие воспоминания довольно медленные, хотя и обладают большой емкостью. Современные устройства для работы с магнитными лентами — стримеры имеют увеличенную скорость записи 4-5МБ в секунду. Существуют также устройства, позволяющие записывать цифровую информацию на видеокассеты, что позволяет хранить 2 ГБ информации на одной ленте. Магнитные ленты обычно используются для создания архивов данных для длительного хранения информации.
6. перфокарты — карты, изготовленные из толстой бумаги и перфорированной ленты — катушки бумажных полосок, на которых информация кодируется путем пробивания (перфорирования) отверстий. Устройства последовательного доступа используются для чтения данных.

В настоящее время устройства последовательного доступа к данным NGMD устарели и не используются, поэтому мы не будем рассматривать их подробно.

Организация хранения данных: почему возникла необходимость в СХД

По результатам опросов бренда IDC Perspectives, до 23% от расходов в сфере IT уходит на операции по аккумулированию информационных контейнеров. Упомянутое положение дел обеспечивается чрезвычайно высокими темпами роста современного бизнеса: предприятия нуждаются в надстройках, способных сохранять и обрабатывать огромные потоки цифровых структур. Безвозвратная потеря каких-либо важных записей – это настоящая катастрофа, способная привести к краху даже самую успешную, и, казалось бы, непоколебимую корпорацию.

Факторы, способствующие развитию

Перед тем как начать разбираться с большим вопросом о том, что такое система хранения данных (СХД) в нынешнем формате, следует уточнить перечень причин, позволяющих говорить о чрезвычайной необходимости модернизации в целом:

1. Развитие конкурентоспособности многих фирм, а также сложные характеры внутри рыночного противостояния
2. Появление брендов, предлагающих решения для обустройства сеток предпринимательских учреждений.
3. Пользовательская нужда в адаптивных платформах, способных работать с аналитикой в различных формах.

Все перечисленные факторы сыграли чрезвычайно важную роль во всем процессе становления отрасли.

Сферы применения СХД

В 2021 году рассматриваемые классы устройств используются в максимально широком ассортименте самых различных сфер:

• формирование отчетности;
• выработка прогнозов;
• бизнес-аналитика;
• переход на электронный документооборот в правительственном масштабе и пр.

На самом деле, намного проще перечислить отрасли, в которых подобные конструкции использованы не были.

Внешние устройства хранения информации

Внешними являются устройства хранения информации, которые можно отсоединить от ПК и перенести на другой.

Главный недостаток: низкая скорость работы в отличие от внутренних устройств. Внешняя память предназначена для длительного хранения данных.

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) уходят в прошлое. Выполнены в виде дискет двух форматов: $5.25»$ или $3.5»$. Максимальная емкость дискет формата $5.25» – 1,2$ Мб, в настоящее время не используются. Максимальная емкость дискет формата $3,5» – 2,88$ Мб, но самым распространенным форматом были дискеты емкостью $1,44$ Мб.

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) являются наиболее совершенными и сложными устройствами современных ПК. Такие диски могут хранить большие объемы, которую могут передавать с большой скоростью. Несмотря на эволюцию жестких дисков, основные принципы их работы практически не изменились.

Готовые работы на аналогичную тему

Стримеры – устройства, предназначенные для записи информации на магнитную ленту. По принципу действия стримеры очень похожи на кассетный магнитофон: данные записываются на магнитную ленту, которая протягивается мимо головок. Возможности технологии сильно ограничены физическими свойствами носителя по емкости и по скорости.

Недостатки использования стримера:

• слишком большое время доступа к данным при чтении (во много раз превышает время доступа жестких дисков);
• емкость не превышает нескольких Гб, что меньше емкости современных жестких дисков.

Оптические диски.

CD (Compact Disc) – оптический носитель информации. Стандартный объем $700$ Мб. Запись и считывание информации осуществляется с помощью лазера.

DVD (Digital Versatile Disk) – оптический многоцелевой цифровой диск. Существуют односторонние и однослойные $DVD$ (стандартный объем $4,7$ Гб), а также двухсторонние или двухслойные диски с удвоенным объемом (объем увеличивается в $4$ раза и составляет более $17$ Гбайт).

BD (Blu-Ray Disc) – оптический носитель цифровых данных, который используется для записи и хранения информации и позволяет хранить видео высокой чёткости с повышенной плотностью.

Магнитно-оптический диск СD-MO (Compact Disk – Magneto Optical) – носитель информации, который сочетает свойства оптических и магнитных накопителей. Ёмкость диска от $128$ Мб до $2,6$ Гб.

Flash-карты – устройства, состоящие из одной микросхемы и не имеющие подвижных частей. Принцип работы основан на использовании кристаллов электрически перепрограммируемой флэш-памяти.

Физический принцип организации ячеек флэш-памяти одинаков для всех существующих устройств, как бы они ни назывались. Отличаются устройства интерфейсом и используемым контроллером, которые обусловливают разницу в емкости, скорости передачи данных и энергопотреблении.

Multimedia Card (MMC) и Secure Digital (SD) выходят из использования из-за небольшой емкости ($64$ Мб и $256$ Мб соответственно) и низкой скорости работы.

SmartMedia – основной формат для карт широкого использования (от банковских и проездных в метро до удостоверений личности). Выполнены в виде тонких пластинок весом $2$ гр и имеют открытые контакты. Для таких размеров имеют относительно значительную емкость (до $128$ Мбайт) и скорость передачи данных (до $600$ Кб/с), которые обусловили их проникновение в сферу цифровой фотографии и $MP3$-устройств.

USB Flash Drive – последовательный интерфейс $USB$ с пропускной способностью $12$ Мбит/с или его современный вариант $USB 2.0$ с пропускной способностью до $480$ Мбит/с.

PC Card (PCMCIA ATA) – карточка флэш-памяти для компактных ПК. Существует 4 формата карточек $PC Card: Type I, Type II, Type III и CardBus$, которые отличаются размерами, разъемами и рабочим напряжением. Емкость карточек достигает $4$ Гб, скорость обмена данными с жестким диском – $20$ Мбит/с.

Miniature Card (MC)– карточка флэш-памяти для карманных ПК, мобильных телефонов и цифровых камер. Стандартная емкость – $64$ Мб и больше.

Приведенный список не является полным, т.к. существуют большое количество самых разнообразных устройств хранения информации. Здесь приведены наиболее часто используемые.

Как работает хранилище

Термин «хранилище» может относиться как к данным пользователя в целом, так и к интегрированным системам аппаратного и программного обеспечения, используемым для сбора, управления и определения приоритетов данных. Сюда входит информация в приложениях, базах данных, хранилищах данных, архивации, устройствах резервного копирования и «облаках».

Требования к емкости определяют, сколько хранилища необходимо для запуска приложения, набора приложений или наборов данных. Требования к емкости учитывают типы данных. Например, для простых документов может потребоваться емкость в килобайтах, в то время как файлы с большим количеством графики могут занимать мегабайты, а видеофайлы – гигабайты.

Классификация

Разобраться с видами устройств хранения данных не так просто. На данный момент нет установленной классификации, которая была бы утверждена документально. Поэтому некоторые виды памяти могут находиться сразу в нескольких группах.

Существует понятие классификации памяти, а также классификации запоминающего устройства. В первом случае для дифференциации необходимо понимать параметры, а вот втором — техническую реализацию.

FLASH- память

Изобретателем FLASH — памяти считается корпорация Intel (1988 г.), а название произошло от метода стирания — вся микросхема сразу. Теперь чипы не имеют этого недостатка и стирание происходит побайтово или постранично.

Благодаря дальнейшему развитию EEPROM появилась FLASH — память (flash memory), но не в направлении технического усовершенствования, а в направлении уменьшения стоимости. Первый чип на основе флэш-технологий емкостью 256 Кб был использован в медицинской аппаратуре Hewlett-Packard. В 90-х годах она приобрела большую популярность. Сначала были анонсированы Solid-State Floppy Disk Card (SSFDC) (Toshiba), потом, в 1994 г. — Compact Flash (SanDisk), в 1998 г. — Memory Stick (Sony).

Современные образцы имеют емкость от 32- 1024 Мб, могут вырабатываться под разные напряжения питания и проводить больше 1 млн. циклов записи/чтения. Кроме того, производители гарантируют сохранение информации минимум 10 лет. FLASH- память объединяет преимущества ПЗУ и ОЗУ.

Подобно ОЗУ, FLASH — память допускает перезапись данных, которые хранятся в ней, но в отличие от ОЗУ, сохраняет их при отключении электропитания. Модули FLASH-памяти изготовляются на основе технологии EEPROM, время чтения и записи имеет такую же величину, как и аналогичные параметры динамической оперативной памяти.

Еще одна преимущество FLASH- памяти — это то, что она потребляет электроэнергию лишь в момент чтения/записи.