Внешние носители информации и запоминающиеся устройства

Принцип магнитной  записи заключается в воздействии электромагнитного поля на ферромагнитный материал магнитной ленты, осуществляемом при записи, а также перезаписи аналогового сигнала.

Магнитное поле в процессе записи изменяется в соответствии с изменениями электрических  сигналов. Электрические колебания от источника звука подаются на записывающую головку и возбуждают в ней магнитное поле звуковой частоты (20 Гц – 20 кГц). Под действием этого поля происходит намагничивание отдельных участков магнитной ленты, равномерно перемещаемой вдоль головок записи, стирания и воспроизведения.  

Магнитная лента  обладает основным недостатком –  способностью размагничиваться при  длительном хранении и имеет неравномерную  частотную характеристику (различная  чувствительность к записи на разных частотах). Кроме того, любая магнитная лента обладает собственными шумами (физические свойства магнитного слоя и способы записи-воспроизведения звука).  
 
 

9

Для записи-воспроизведения, а также использования различных  данных на машиночитаемые носители данных используется преобразование аналогового (звукового и видео) сигнала в цифровую форму. Такая технология получила название оцифровки информации.

Принцип оцифровки (кодирования) звука заключается  в преобразовании непрерывного разного  по величине амплитудно-частотного звукового  и видео сигналов в закодированную последовательность чисел, представляющих дискретные значения амплитуд этого сигнала, взятые через определенный промежуток времени. Для этого необходимо измерять амплитуду сигнала через определённые промежутки времени и на каждом временном отрезке определять среднюю амплитуду сигнала. Согласно теореме Шенона (Котельникова), этот промежуток времени (частота) должен быть не меньше удвоенной максимальной частоты передаваемого звукового сигнала.

Эта частота  называется частотой дискретизации.

Дискретизация – процесс взятия отсчётов непрерывного во времени сигнала в равноотстоящих друг от друга по времени точках, составляющих интервал дискретизации.

В процессе дискретизации  измеряется и запоминается уровень  аналогового сигнала. Чем реже (меньше) промежутки времени, тем качество закодированного сигнала выше.  

Стримеры - ленточные  носители используются для резервного копирования с целью обеспечения  сохранности данных. В качестве таких  устройств применяется стример (Рис.), а – носителя информации в них используются магнитные ленты в кассетах и ленточных картриджах. Обычно на магнитную ленту запись осуществляется побайтно, при этом домен соответствует двоичной единице. Если считывающее устройство его не обнаруживает, то полученное значение соответствует нулю.  

Система записи на магнитные диски и дискеты  несколько похожа на систему записи на пластинки.

В отличие от последних запись осуществляется не по спирали, а на концентрические окружности – дорожки («траки» - traks), расположенные на двух сторонах диска и образующие как бы цилиндры. Окружности, в свою очередь, делятся на сектора (Рис.). Каждый сектор дискеты, не зависимо от размеров дорожки, имеет одинаковый размер, равный 512 байт, что достигается различной плотностью записи: меньшей на периферии и большей ближе к центру дискеты.  

Магнитооптический носитель информации - внешние высоконадёжные устройства переноса и хранения информации.

Магнитооптические диски (МО) появились в 1988 году. МО диск заключён в пластиковый конверт (картридж) и является устройством  произвольного доступа.  

10

Он совмещает  в себе магнитный и оптический принципы хранения информации и представляет поликарбонатную подложку (слой) толщиной 1,2 мм, на которую нанесено несколько тонкоплёночных магнитных слоёв.

Запись лазером  с температурой примерно в 200 градусов Цельсия на магнитный слой происходит одновременно с изменением магнитного поля.

Запись данных осуществляется лазером в магнитном слое. Под воздействием температуры в месте нагрева в магнитном слое уменьшается сопротивляемость изменению полярности, и магнитное поле изменяет полярность в нагретой точке на соответствующую двоичной единице. По окончании нагрева сопротивляемость увеличивается, но установленная полярность сохраняется. Стирание создаёт в магнитном поле одинаковую полярность, соответствующую двоичным нулям. При этом лазерный луч последовательно нагревает стираемый участок. Считывание записанных данных в слое производится лазером с меньшей интенсивностью, не приводящей к нагреву считываемого участка. При этом, в отличие от компакт-дисков, поверхность диска не деформируется.  

Компактный оптический диск (CD) – это пластмассовый диск со специальным покрытием, на котором в цифровой форме размещается записанная информация.

Благодаря изменению  скорости его вращения, дорожка относительно считывающего луча лазера движется с  постоянной линейной скоростью. У центра диска скорость выше, а у края – медленнее (1,2–1,4 м/сек).

В CD используют лазер с длиной волны излучения = 0,78 мкм. «Прожигаемая» лазером цифровая информация сохраняется в виде «пит»  – чёрточек шириной 0,6–0,8 мкм и  длиной 0,9–3,3 мкм.

Выделяют три  основных вида CD:

CD-ROM, на которые  запись, как правило, осуществляется фабрично методом штамповки с матрицы;

CD-R, используемые  для одно или несколькократной  лазерной записи сессиями;

CD-RW, предназначенные  для многократных циклов записи-стирания.  

В CD-R (Compact Disk Recordable) поверх отражающего слоя из золота, серебра или алюминия, расположен органический слой специального легкоплавкого пластика. Ввиду этого такой диск чувствителен к нагреванию и воздействию прямых солнечных лучей.  

В CD-RW в качестве промежуточного слоя также используется органический состав, но он способен при сильном нагреве переходить из кристаллического (прозрачного для лазера) состояния в аморфное. Слабый нагрев возвращает его обратно в кристаллическое состояние. Таким образом осуществляется перезапись.  
 
 
 

11

DVD

В начале 1997 года появился стандарт компакт-дисков под названием DVD (Digital Video Disc), предназначенный в основном для записи высококачественных видеопрограмм. В дальнейшем аббревиатура DVD получила следующее значение – Digital Versatile Disc (универсальный цифровой диск), как более полно отвечающая возможностям этих дисков для записи звуковой, видео, текстовой информации, программного обеспечения ПК и др. DVD обеспечивает более высокое качество изображения, чем CD.

В них используется лазер с более короткой длиной волны излучения = 0,635–0,66 мкм. Это позволяет повысить плотность записи, т.е. уменьшить геометрические размеры пит до 0,15 мкм и шаг дорожки до 0,74 мкм.

Плотность записи оптических дисков определяется длиной волны лазера, то есть возможностью сфокусировать на поверхности диска луч с пятном, диаметр которого равен длине волны.

Вслед за DVD в  конце 2001 года появились устройства Blu-Ray, позволяющие работать в синей  области спектра с длиной волны = 450–400 нм. 
 
 

Для увеличения ёмкости используют и флуоресцентные диски - FMD (Fluorescent Multilayer Disk). Принцип их действия заключающийся в изменении физических свойств (появление флуоресцентного свечения) некоторых химических веществ под воздействием лазерного луча.

Здесь вместо технологий CD и DVD, использующих отражённый сигнал, под воздействием лазера свет излучается непосредственно информационным слоем. Такие диски изготавливаются из прозрачного фотохрома. Под воздействием лазерного излучения в них происходит химическая реакция, и отдельные участки информационного слоя («питы») заполняются флуоресцентным материалом.

Этот метод  может считаться методом объёмной записи данных. В большей степени  такая запись возможна при использовании  трёхмерной голографии, позволяющее  ныне в кристалле размером с сахарный кубик, разместить до 1 Тб данных.

12

Flash-память –  переносной энергонезависимый накопитель.

Обычно используются следующие стандарты флэш-памяти: CompactFlash, SmartMedia, Memory Stick, Floppy Disks, MultiMedia Cards и др. Они могут использоваться вместо дискет, лазерных и магнитооптических компактных, небольших жёстких дисков.

Современные сменные  устройства флэш-памяти обеспечивают высокую скорость обмена данными (Ultra High Speed) – более 16,5 Мбит/с.

Для подключения  к USB-порту компьютера используются специальные USB Flash Drive (Рис.), представляющие собой мобильные малогабаритные устройства хранения данных, не имеющие подвижных и вращающихся механических частей.

Используется  два основных типа Flash-памяти: NAND и NOR.

Микросхемы NOR хорошо работают совместно оперативной памятью RAM, поэтому чаще используются для BIOS.

С середины 1990-х  гг. появились микросхемы NAND в виде твердотельных дисков (SSD).

Для сравнения  времени доступа у SDRAM оно составляет 10–50 мкс, у флэш-памяти – 50–100 мкс, а у жестких дисков – 5000–10000 мкс.  

Голография –  фотографический метод записи, воспроизведения  и преобразования волновых полей. Впервые  был предложен в 1947 году венгерским физиком Деннисом Габором. В 1960-е  годы, с появлением лазера представилась  возможность точно записывать и воспроизводить объёмные изображения в кристалле ниобата лития. С 1980-х годов, с появлением компакт-дисков, голографические устройства хранения информации на основе лазерной оптики стали одной из технологий внешней памяти.

Голографическая память представляет весь объём запоминающей среды носителя, при этом элементы данных накапливаются и считываются параллельно.

Современные голографические  устройства хранения получили название HDSS (holographic data storage system).

Они содержат: лазер, расщепитель луча для разделения лазерного пучка, зеркала для направления лазерных лучей, жидкокристаллическую панель, используемую как пространственный модулятор света, линзы для фокусировки лазерных лучей, кристалл ниобата лития или фотополимер как запоминающее устройство, фотодетектор для считывания информации. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

13

Электронная технология. 

Электронная технология в настоящее время применяется  в микросхемах памяти

для различных  устройств и в чипах, где хранятся системные настройки ПК или

других устройств (например, BIOS). Электронная технология позволяет добиться

производительности  в тысячи раз больше, чем в других устройствах накопления

информации, при  меньших размерах и при меньших  энергозатратах. Современные

чипы имеют  объём 256 Mb при скорости доступа менее 10 нс.

Наиболее часто  используемым типом памяти является DRAM (Dynamic Random Access

Memory). Они называются  динамическими потому, что хранят  данные в виде

электрических зарядов, которые медленно разряжаются  и должны периодически

обновляться для  обеспечения достоверности хранимых данных.

В случае обычных DRAM-микросхем каждому чипу требуется  период восстановления

между последовательными  операциями чтения или записи, что  может вызвать

снижение общей  скорости системы в случае нескольких последовательных

обращений к  такому чипу. Время, которое требуется  для упомянутого

восстановления, называется временем доступа чипа, и оно может представлять

принципиальное  ограничение для скорости всей памяти системы.

Для минимизации  задержек, предполагаемых в случае последовательных обращений

к чипу памяти, были созданы микросхемы памяти других типов. Чипы памяти

страничного режима разрешают повторный доступ в  пределах одного блока памяти

в чипе без периода  восстановления. Похожий тип микросхем, которые называются

static-column RAM-микросхемами, позволяет повторяющийся доступ  в пределах

колонки, и это  тоже не ведёт к ограничениям скорости.

Статическая RAM представляет собой совершенно другую технологию памяти, при

которой данные сохраняются путём изменения положения электронных

переключателей, называемых флип-флопы. SRAM-микросхемы не требуют периодов

восстановления  и имеют более высокое быстродействие, чем DRAM-микросхемы.