24

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС)

Кафедра «Прикладная математика и механика»

Дисциплина «Информатика»

Тематический реферат

на тему «Эволюция устройств хранения информации ПЭВМ»

Выполнили: студенты гр. 18А

Кидяева Я.Е.

Кичигина А.Н.

Проверил: преподаватель

каф. ПММ

Челобанов П.С.

Омск 2009

Содержание

Введение

1. Принцип работы

2. Виды устройств хранения информации

2.1 Перфокарта

2.2 Перфолента

2.3 Дискета

2.4 Накопитель на жёстких магнимтных димсках

2.5 Компакт-диски

2.6 Флеш-память

Заключение

Библиографический список

Введение

Первые компьютеры использовали запоминающие устройства исключительно для хранения обрабатываемых данных. Их программы реализовывались на аппаратном уровне в виде жёстко заданных выполняемых последовательностей. Любое перепрограммирование требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации, перестройки блоков и устройств и т. п. Использование архитектуры фон Неймана, предусматривающей хранение компьютерных программ и данных в общей памяти, коренным образом переменило ситуацию.

Система хранения информации в современном цифровом компьютере основана на двоичной системе счисления. Числа, текстовая информация, изображения, звук, видео и другие формы данных представляются в виде последовательностей битовых строк или бинарных чисел, каждое из которых состоит из значений 0 и 1. Это позволяет компьютеру легко манипулировать ими при условии достаточной ёмкости системы хранения. Например, для хранения небольшого рассказа достаточно иметь устройство памяти общим объёмом всего лишь около 8 миллионов бит (примерно 1 Мегабайт).

К настоящему времени создано множество разнообразных устройств, предназначенных для хранения данных, многие из которых основаны на использовании самых разных физических эффектов. Универсального решения не существует, каждое содержит те или иные недостатки. Поэтому компьютерные системы обычно оснащаются несколькими видами систем хранения, основные свойства которых обуславливают их использование и назначение.

1. Принцип работы

В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям. В современной компьютерной технике часто используются физические свойства полупроводников, когда прохождение тока через полупроводник или его отсутствие трактуются как наличие логических сигналов 0 или 1. Устойчивые состояния, определяемые направлением намагниченности, позволяют использовать для хранения данных разнообразные магнитные материалы. Наличие или отсутствие заряда в конденсаторе также может быть положено в основу системы хранения.

Постоянное запоминающее устройство, ПЗУ -- тип памяти ЗУ, предназначенный для хранения и считывания данных, которые никогда не изменяются. Запись данных на ПЗУ производится в процессе его изготовления, поэтому пользователем изменяться не может. Наиболее распространены ПЗУ, выполненные на интегральных микросхемах (БИС, СБИС) и оптических дисках CD-ROM и DVD-ROM.

Исторически первыми были устройства, в которых состояние сохранялось в триггере -- комбинации из дух и более транзисторов или, ранее, электронных ламп.

В дальнейшем большей плотности хранения при большем быстродействии достигли устройства емкостной памяти.

2. Виды устройств хранения информации

2.1 Перфокарта

Перфокарта (сокр. от перфорированный и карта) -- носитель информации, предназначенный для использования системами автоматической обработки данных. Сделанная из тонкого картона, перфокарта представляет информацию наличием или отсутствием отверстий в определённых позициях карты.

Перфокарты впервые начали применяться 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 информацинного поиска и классификации записей. Перфокарты также планировалось использовать в «аналитической машине» Бэббиджа. В конце XIX в. началось использование перфокарт для обработки результатов переписей населения в США (см. Холлерит, Герман).

Существовало много разных форматов перфокарт; наиболее распространённым был «формат IBM», введённый в 1928 г. -- 12 строк и 80 колонок, размер карты 7? Ч 3ѕ дюйма (187,325 Ч 82,55 мм), толщина карты 0,007 дюйма (0,178 мм). Первоначально углы были острые, а с 1964 г. -- скруглённые (впрочем, в СССР и позже использовали карты с нескруглёнными углами).

Компьютеры первого поколения, в 20--50-е годы XX-го столетия, использовали перфокарты в качестве основного носителя при хранении и обработке данных. Затем, в течение 70-х -- начале 80-х, они использовались только для хранения данных и постепенно были замещены гибкими магнитными дисками большого размера. В настоящее время перфокарты не используются нигде, кроме устаревших систем. 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).

При работе с перфокартами 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, NUL). В системе IBM/360 были определены комбинации пробивок для всех 256 значений байта (например, пустой символ NUL 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 человекочитаемом виде.

2.2 Перфолента

Перфолента (перфорированная лента) -- устаревший носитель информации в виде бумажной ленты с отверстиями. Первые перфоленты использовались с середины XIX века в телеграфии, отверстия в них располагались в 5 рядов, для передачи данных использовался код Бодо.

Благодаря простоте устройств ввода/вывода, перфолента получила распространение в компьютерной технике. Поздние компьютерные перфоленты имели ширину 7 или 8 рядов и использовали для записи кодировку ASCII. Существовали ленты и с другим количеством рядов (даже с 2 рядами). Использовались в миникомпьютерах для ввода/вывода информации и для управления станками с ЧПУ до середины 1980-х годов. Были вытеснены магнитными носителями информации.

На советских пропагандистских плакатах 1970-x -- 1980-х годов нередко изображалась перфолента в качестве символа технического прогресса.

Недостатком перфолент по сравнению с перфокартами является низкая механическая прочность ленты и невозможность «ручного редактирования» текстовых файлов (добавлением или заменой перфокарт в колоде). По сравнению с магнитными лентами основным недостатком была низкая скорость чтения/записи.

Были попытки использовать ленты из пластиков, таких как лавсан, но это требовало специального оборудования для записи.

Скорость записи и считывания составляет порядка 4 бод, что хорошо согласуется со скоростью печати символьных печатающих устройств того времени. Способ записи - механический, способ считывания - оптический. При записи бумажные кружочки от проколотых отверстий попадают в съёмный контейнер.

2.3 Дискета

Дискемта -- портативный магнитный носитель информации, используемый для многократной записи и хранения данных сравнительно небольшого объема. Этот вид носителя был особенно распространён в 1970-х -- конце 1990-х годов. Вместо термина «дискета» иногда используется аббревиатура ГМД -- «гибкий магнитный диск» (соответственно, устройство для работы с дискетами называется НГМД -- «накопитель на гибких магнитных дисках»).

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 -- дисковода (флоппи-дисковода).

Дискеты обычно имеют функцию защиты от записи, посредством которой можно предоставить доступ к данным только в режиме чтения.

Следует отметить, что фактическая ёмкость дискет зависела от способа их форматирования. Поскольку кроме самых ранних моделей, практически все флоппи-диски не содержали жёстко сформированных дорожек, дорога для экспериментов в области более эффективного использования дискеты была открыта для системных программистов. Результатом стало появление множества не совместимых между собою форматов дискет даже под одними и теми же операционными системами. Например, для RT-11 и её адаптированных в СССР версий количество находящихся в обороте несовместимых форматов дискеты превышало десяток. (Наиболее известные -- MX, MY применяемые в ДВК).

Дополнительную путаницу внёс тот факт, что компания Apple использовала в своих компьютерах Macintosh дисководы, применяющие иной принцип кодирования при магнитной записи, чем на IBM PC. В результате, несмотря на использование идентичных дискет, перенос информации между платформами на дискетах не был возможен до того момента, когда Apple внедрила дисководы высокой плотности SuperDrive, работавшие в обоих режимах.

«Стандартные» форматы дискет IBM PC различались размером диска, количеством секторов на дорожке, количеством используемых сторон (SS обозначает одностороннюю дискету, DS -- двухстороннюю), а также типом (плотностью записи) дисковода. Тип дисковода маркировался как SD -- одинарная плотность, DD -- двойная плотность, QD -- четверная плотность (использовался в клонах, таких как Robotron-1910 -- 5,25? дискета 720 К , Amstrad PC, ПК Нейрон -- 5,25? дискета 640 К, HD -- высокая плотность (отличался от QD повышенным количеством секторов), ED -- расширенная плотность.

8-дюймовые дисководы долгое время были предусмотрены в BIOS и поддерживались MS-DOS, но точной информации о том, поставлялись ли они потребителям, нет (возможно, поставлялись предприятиям и организациям и не продавались физическим лицам).

Кроме вышеперечисленных вариаций форматов, существовал целый ряд усовершенствований и отклонений от стандартного формата дискет. Наиболее известные -- 320/360 Кб дискеты Искра-1030/Искра-1031 -- фактически представляли из себя SS/QD дискеты, но бут-сектор их был отмаркирован как DS/DD. В результате стандартный дисковод IBM PC не мог прочесть их без использования специальных драйверов (800.com), а дисковод Искра-1030/Искра-1031, соответственно, не мог читать стандарные дискеты DS/DD от IBM PC.

Специальные драйверы-расширители BIOS 800, pu_1700 и ряд других позволяли форматировать дискеты с произвольным числом дорожек и секторов. Поскольку дисководы обычно поддерживали от одной до 4 дополнительных дорожек, а также позволяли, в зависимости от конструкционных особенностей, отформатировать на 1-4 сектора на дорожке больше, чем положено по стандарту, эти драйвера обеспечивали появление таких нестандартных форматов как 800 Кб (80 дорожек, 10 секторов) 840 Кб (84 дорожки, 10 секторов) и т. д. Максимальная ёмкость, устойчиво достигавшаяся таким методом на 3,5? HD-дисководах, составляла 1700 Кб.

Эта техника была впоследствии использована в Windows 98, а также Майкрософтовском формате дискет DMF, расширившим ёмкость дискет до 1,68 Мб за счёт форматирования дискет на 21 сектор в аналогичном IBMовском формате XDF. XDF использовался в дистрибутивах OS/2, а DMF -- в дистрибутивах различных программных продуктов от Майкрософт.

Драйвер pu_1700 позволял также обеспечивать форматирование со сдвигом и интерливингом секторов -- это ускоряло операции последовательного чтения-записи, но лишало совместимости даже при стандартном количестве секторов, сторон и дорожек.

Наконец, достаточно частой модификацией формата дискет 3,5? является их форматирование на 1,2 Мб (с пониженным числом секторов). Эта возможность обычно может быть включена в BIOS современных компьютеров. Такое использование 3,5? характерно для Японии и ЮАР. В качестве побочного эффекта, активация этой настройки BIOS обычно даёт возможность читать дискеты, отформатированные с использованием драйверов типа 800.

Одной из главных проблем, связанных с использованием дискет, была их недолговечность. Наиболее уязвимым элементом конструкции дискеты был жестяной или пластиковый кожух, закрывающий собственно гибкий диск: его края могли отгибаться, что приводило к застреванию дискеты в дисководе, возвращавшая кожух в исходное положение пружина могла смещаться, в результате кожух дискеты отделялся от корпуса и больше не возвращался в исходное положение. Сам пластиковый корпус дискеты не служил достаточной защитой гибкого диска от механических повреждений (например, при падении дискеты на пол), которые выводили магнитный носитель из строя. В щели между корпусом дискеты и кожухом могла проникать пыль.

Массовое вытеснение дискет из обихода началось с появлением перезаписываемых компакт-дисков, и особенно, носителей на основе флэш-памяти, обладающих гораздо меньшей удельной стоимостью, на порядки большей емкостью, большим фактическим числом циклов перезаписи и долговечностью. Промежуточным вариантом между ними и традиционным дискетами являются магнитооптические носители, Iomega_Zip, Iomega_Jaz и другие. Такие сменные носители иногда также называют дискетами.

2.4 Накопитель на жёстких магнитных дисках

Это энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В некоторых НЖМД используется одна пластина, в других -- несколько на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках 5-10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где

Большая часть всех винчестеров производятся всего несколькими компаниями: Seagate, Western Digital, Samsung, а также ранее принадлежавшим IBM подразделением по производству дисков фирмы Hitachi. Fujitsu продолжает выпускать жёсткие диски для ноутбуков и SCSI-диски, но покинула массовый рынок в 2001 году. Toshiba является основным производителем 2,5- и 1,8-дюймовых ЖД для ноутбуков. Одним из лидеров в производстве дисков являлась компания Maxtor, известная своими «умными» алгоритмами кэширования. В 2006 году состоялось слияние Seagate и Maxtor. В середине 1990-х годов существовала компания Conner, которую купила Seagate. В первой половине 90-х была еще фирма Micropolice, производившая очень дорогие диски premium-класса. Но при выпуске первых в отрасли винчестеров на 7200 об/мин ею были использованы некачественные подшипники главного вала, поставленные фирмой Nidek, и Micropolice понес фатальные убытки на возвратах, разорился и был на корню куплен тем же Seagate.

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя.

Блок головок -- пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика -- окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения держатся в секрете. Большинство устройств содержит 1 или 2 пластины.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (4200, 5400, 7200, 10 000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин.

Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных, как правило неодимовых, постоянных магнитов и катушки на подвижном блоке головок.

Вопреки расхожему мнению, внутри гермозоны нет вакуума. Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом; а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а так же при прогреве устройства во время работы.

Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр -- пылеуловитель.

Ранние «винчестеры» (подобно дискетам) содержали одинаковое количество секторов на всех дорожках. На пластинах современных «винчестеров» дорожки сгруппированы в несколько зон. Все дорожки одной зоны имеют одинаковое количество секторов. Однако, на каждой дорожке внешней зоны секторов больше, и чем зона ближе к центру, тем меньше секторов приходится на каждую дорожку зоны. Это позволяет добиться более равномерной плотности записи и, как следствие, увеличения ёмкости пластины без изменения технологии производства.

Границы зон и количество секторов на дорожку для каждой зоны хранятся в ПЗУ блока электроники.

Кроме того, в действительности на каждой дорожке есть дополнительные резервные секторы. Если в каком либо секторе возникает неисправимая ошибка, то этот сектор может быть подменён резервным (англ. remaping). Конечно, данные, хранившиеся в нём, скорее всего, будут потеряны, но ёмкость диска не уменьшится. Существует две таблицы переназначения: одна заполняется на заводе, другая в процессе эксплуатации.

Таблицы переназначения секторов также хранятся в ПЗУ блока электроники.

Во время операций обращения к «винчестеру» блок электроники самостоятельно определяет, к какому физическому сектору следует обращаться и где он находится (с учётом зон и переназначений). Поэтому со стороны внешнего интерфейса «винчестер» выглядит однородным.

В связи с вышеизложенным существует очень живучая легенда о том, что корректировка таблиц переназначения и зон может увеличить ёмкость жёсткого диска. Для этого существует масса утилит, но на практике оказывается, что если прироста и удаётся добиться, то незначительного. Современные диски настолько дёшевы, что подобная корректировка не стоит потраченных на это ни сил, ни времени.

В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управление шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала.

Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жесткого диска с остальной системой.

Блок управления представляет собой систему управления, принимающую электрические сигналы позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя).

Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.

Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти позволяет увеличить скорость работы накопителя.

Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood -- максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнении принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.

Принцип работы жестких дисков похож на работу магнитофонов. Рабочая поверхность диска движется относительно считывающей головки (например, в виде катушки индуктивности с зазором в магнитопроводе). При подаче переменного электрического тока (при записи) на катушку головки, возникающее переменное магнитное поле из зазора головки воздействует на ферромагнетик поверхности диска и изменяет направление вектора намагниченности доменов в зависимости от величины сигнала. При считывании перемещение доменов у зазора головки приводит к изменению магнитного потока в магнитопроводе головки, что приводит к возникновению переменного электрического сигнала в катушке из-за эффекта электромагнитной индукции.

В последнее время для считывания применяют магниторезистивный эффект и используют в дисках магниторезистивные головки. В них, изменение магнитного поля приводит к изменению сопротивления, в зависимости от изменения напряженности магнитного поля. Подобные головки позволяют увеличить вероятность достоверности считывания информации (особенно при больших плотностях записи информации).

На данный момент это самая распространенная технология записи информации на НЖМД. Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая проходя над поверхностью вращающегося диска намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей -- доменов. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности.

Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи оценивается 23 Гбит/смІ. В ближайшем будущем ожидается постепенное вытеснение данного метода методом перпендикулярной записи.

Метод перпендикулярной записи -- это технология, при которой биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современных образцов -- 15-23 Гбит/смІ, в дальнейшем планируется довести плотность до 60--75 Гбит/смІ.

Жесткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года.

2.5 Компакт-диски

CD-R - разновидность компакт-диска (CD), разработанная компаниями Philips и Sony для однократной записи информации. CD-R поддерживает все возможности стандарта «Red Book» и плюс к этому позволяет записать данные.

Спецификация CD-R, первоначально называемая CD Write-Once (WO), впервые была опубликована в 1988 компаниями Philips и Sony под названием «Оранжевая Книга» (англ. «Orange Book»). «Оранжевая Книга» состоит из нескольких разделов, которые подробно описывают CD-WO, CD-MO (Magneto-Optic), и CD-RW (ReWritable). В последних версиях «Оранжевой Книги» отказались от названия CD Write-Once (WO) в пользу CD-R. Записанные CD-R и CD-RW полностью совместимы со стандартами Audio CD («Красная Книга», англ. «Red Book») и CD-ROM («Жёлтая Книга», англ. «Yellow Book»). Они используют модуляцию «8-к-14», исправление ошибок CIRC и плюс третью дорожку для коррекции ошибок, определённую в стандарте CD-ROM. Первые CD-R произведены в 1988.

Совместимость форматов CD-R и обычных компакт-дисков (CD и CD-ROM), была достигнута компанией Taiyo Yuden, которая разработала особые материалы для изготовления записывающего слоя.

Обычный CD-R представляет собой тонкий диск из прозрачного пластика -- поликарбоната -- толщиной 1,2 мм, диаметром 120 мм (стандартный)вес 16-18гр. или 80 мм (мини) . Ёмкость стандартного CD-R составляет 74 минуты аудио или 650 МБ данных. Однако, на данный момент стандартным можно считать CD-R ёмкостью 702 МБ данных (точнее 736 966 656 байт) или 79 минут 59 секунд и 74 фрейма. Такая ёмкость достигается небольшим превышением допусков, описанных в стандарте «Оранжевой Книги» (CD-R/CD-RW). Также на рынке имеются 90 минутные / 790 МБ и 99 минутные / 870 МБ диски, которые получили гораздо меньшее распространение.

Поликарбонатный диск имеет спиральную дорожку для направления луча лазера при записи и считывании информации. С той стороны, где находится эта спиральная дорожка, диск покрыт записывающим слоем, который состоит из очень тонкого слоя органического красителя и затем отражающим слоем из серебра, его сплава или золота. Этот отражающий слой покрывается защитным фотополимеризуемым лаком и отверждается ультрафиолетовым излучением. И уже на этот защитный слой наносятся различные надписи краской.

Чистый CD-R не является полностью пустым, на нём имеется служебная дорожка с сервометками ATIP -- Absolute Time In Pregroove -- абсолютное время в служебной дорожке. Эта служебная дорожка нужна для системы слежения, которая удерживает луч лазера при записи на дорожке и следит за скоростью записи (то есть следит, чтобы длина пита была постоянной). Помимо функций синхронизации, служебная дорожка также содержит информацию об изготовителе этого диска, сведения о материале записывающего слоя, длине дорожки для записи и т. п. Служебная дорожка не разрушается при записи данных на диск и многие системы защиты от копирования используют её для того, чтобы отличить оригинал от копии.

Первыми компаниями, которые начали выпуск «болванок» CD-R были Taiyo Yuden, Kodak, Maxell и TDK. С тех пор стандарт CD-R подвергался дальнейшему развитию для обеспечения всё больших скоростей записи и в настоящее время (2006) максимальная возможная скорость записи CD-R равна 52x, то есть в 52 раза больше чем та, которая определена в стандарте «Оранжевой Книги» (1x = 150 КБ/с). Эти доработки заключаются, в основном, в новых материалах для записывающего слоя, лучшей геометрии дорожки и технологии нанесения записывающего слоя. Низкоскоростная запись 1х используется до сих пор для записи особых «аудио CD-R», так как записывающие деки на компакт-дисках были стандартизованы именно на эту скорость.

Используется три основных типа записывающего слоя для CD-R:

1. Цианин (англ. Cyanine) -- Цианиновый краситель обладает сине-зелёным (цвет «морской волны») оттенком рабочей поверхности. Этот материал использовался в самых первых «болванках» CD-R и запатентован фирмой Taiyo Yuden. Этот краситель химически нестоек, что является причиной короткого срока гарантированного хранения записанной информации. Краситель может выцвести за несколько лет. Хотя многие производители используют дополнительные химические добавки для увеличения стабильности цианина, такие диски не рекомендуется использовать в целях резервного копирования и долговременного хранения архивных данных.

2. Azo -- Металлизированный азо-краситель, имеет тёмно-синий цвет. Его формула запатентована фирмой Mitsubishi Chemicals. Этот краситель химически стоек и его способность хранить информацию исчисляется десятилетиями (сами фирмы пишут о 100 годах).

3. Фталоцианин (англ. Phthalocyanine) -- Чуть более поздняя разработка активного записываемого слоя. Фталоцианин практически бесцветен, с бледным оттенком салатового или золотистого цвета, из-за чего диски на основе фталоцианинового активного слоя часто называют «золотыми». Фталоцианин -- несколько более современная разработка. Диски на основе этого активного слоя менее чувствительны к солнечному свету и ультрафиолетовому излучению, что способствует увеличению долговечности записанной информации и несколько более надёжному хранению в неблагоприятных условиях (фирмы заявляют о сотнях лет).

К сожалению, многие производители используют различные добавки в записывающий слой, чтобы цианиновые болванки были похожи по цвету на фталоцианиновые. Поэтому нельзя просто по цвету определить материал записывающего слоя. Также и отражающий слой «золотого» цвета не гарантирует, что это фталоцианиновый CD-R.

Чистые «болванки» CD-R имеют служебную дорожку с записанными данными. Эта дорожка содержит временныме метки и используется при записи, чтобы луч лазера записывал по спиральной дорожке как и на обычных компакт дисках. Вместо печати питов как физических углублений в материале «болванки» как в случае CD, при записи CD-R данные записываются на диск лучом лазера повышенной мощности, чтобы физически «прожечь» органический краситель записывающего слоя. Когда краситель нагревается выше определённой температуры, он разрушается и темнеет, изменяя отражательную способность «прожжённой» зоны. Таким образом при записи, управляя мощностью лазера, на записывающем слое получают чередование тёмных и светлых пятен, которые при чтении интерпретируются как питы.

При чтении лазер имеет значительно меньшую мощность, чем при записи, и не разрушает краситель записывающего слоя. Отражённый от отражающего слоя луч попадает на фотодиод, а если луч попадает на тёмный -- «прожжённый» -- участок, то луч почти не проходит через него до отражающего слоя и фотодиод регистрирует ослабление светового потока. Во время чтения «болванка» в приводе крутится на шпинделе, а читающий луч остаётся неподвижным и направляется следящей системой на дорожку с данными. Чередующиеся светлые и тёмные участки дорожки порождают изменение светового потока отражённого луча и переводятся в изменение электрического сигнала, который далее и преобразуется в биты информации электрической системой привода -- «декодируется».

Прожигание записывающего слоя является необратимым химическим процессом, то есть однократным. Поэтому записанную на CD-R информацию нельзя стереть, в отличие от CD-RW. CD-R, однако, можно записывать по частям, которые называют сессиями.

На данный момент (2006) среднее время жизни CD-R только оценивается на основании ускоренных тестов старения, так как данная технология оптических носителей слишком молодая и не имеет практических данных на этот счёт. Считается, что при должном уходе CD-R должны выдерживать не менее тысячи циклов чтения и хранить записанную информацию несколько сотен лет. К сожалению, некоторые общепринятые практики неправильного обращения с дисками могут уменьшить эту цифру до одного-двух лет. Поэтому, если основная цель записи -- долговременное хранение информации, следует бережно обращаться с «болванками» CD-R.

Характеристики материала записанных CD-R со временем подвержены ухудшению, впрочем как и большинство других записываемых носителей. Оптические диски для однократной записи, CD-R, используют в записывающем слое краситель, который под воздействием тепла меняет свойства, влияющие на хранение данных. Процесс деградации может привести к перемещению записанной дорожки с данными внутри слоя, в результате чего привод не сможет прочитать данные с диска.

Многие дешёвые записываемые «болванки» малоизвестных фирм, равно как и безымянные, «лысые», «технологические» болванки, имеют срок жизни порядка двух лет. Некоторые такие «болванки» более высокого качества имеют более длительный срок службы -- около пяти лет. Отличить низкокачественные «болванки» от высококачественных весьма сложно, так как лишь немногие производители (например, Taiyo Yuden) заботятся о сроке жизни своих изделий. Из-за ценовых войн качество дисков часто приносится в жертву достижению как можно более низкой себестоимости.

Как правило, чистить диск CD-R нужно только в том случае, если возникают проблемы с чтением информации с него. Коды коррекции ошибок, используемые в CD-R, обычно хорошо справляются с отпечатками пальцев и царапинами на прозрачной стороне.

Накопившуюся пыль можно убрать, протерев диск мягкой тканью движениями от центра к краю диска в радиальном направлении. Нельзя протирать диск круговыми движениями, так как круговые царапины будут параллельны дорожке и с ними сложнее справиться чем с радиальными царапинами. Более предпочтителен другой способ убрать пыль -- сдуть её с помощью струи воздуха из баллончика со сжатым воздухом, который продаётся в магазинах.

Отпечатки пальцев или грязь можно удалить с помощью мягкой ткани, смоченной денатурированным спиртом (этиловым или изопропиловым), после чего насухо вытереть диск такими же радиальными движениями.

Никогда не следует использовать ацетон, растворитель лака для ногтей, керосин, бензин или другие растворители на основе нефтепродуктов. Такие агрессивные растворители могут буквально растворить сам диск или сделать его поверхность мутной и непригодной для работы. Используйте только спиртовые растворители.

2.6 Флеш-память

Флеш-память (англ. Flash-Memory) -- разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти.

Она может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (максимально -- около миллиона циклов). Распространена флэш?память, выдерживающая около 100 тысяч циклов перезаписи -- намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW.

Не содержит подвижных частей, так что, в отличие от жёстких дисков, более надёжна и компактна.

Благодаря своей компактности, дешевизне и низком энергопотреблении флеш?память широко используется в портативных устройствах, работающих на батарейках и аккумуляторах -- цифровых фотокамерах и видеокамерах, цифровых диктофонах, MP3-плеерах, КПК, мобильных телефонах, а также смартфонах и коммуникаторах. Кроме того, она используется для хранения встроенного программного обеспечения в различных устройствах (маршрутизаторах, мини?АТС, принтерах, сканерах), различных контроллерах.

Так же в последнее время широкое распространение получили USB флеш брелоки («флешка», USB?драйв, USB?диск), практически вытеснившие дискеты и CD.

На конец 2008 г. основным недостатком, не позволяющим устройствам на базе флеш-памяти вытеснить с рынка жёсткие диски, является высокое соотношение цена/объём, превышающее этот параметр у жестких дисков в 2_3 раза. В связи с этим и объёмы флеш-накопителей не так велики. Хотя работы в этих направлениях ведутся. Удешевляется технологический процесс, усиливается конкуренция. Многие фирмы уже заявили о выпуске SSD накопителей объёмом 256 ГБ и более.

Ещё один недостаток устройств на базе флеш-памяти по сравнению с жёсткими дисками -- как ни странно, меньшая скорость. Несмотря на то, что производители SSD накопителей заверяют, что скорость этих устройств выше скорости винчестеров, в реальности она оказывается ощутимо ниже. Конечно, SSD накопитель не тратит подобно винчестеру время на разгон, позиционирование головок и т. п. Но время чтения, а тем более записи, ячеек флеш?памяти, используемой в современных SSD накопителях, больше. Что и приводит к значительному снижению общей производительности. Справедливости ради следует отметить, что последние модели SSD накопителей и по этому параметру уже вплотную приблизились к винчестерам. Однако, эти модели пока слишком дороги.

Флеш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором, называемых ячейками (англ. cell). В традиционных устройствах с одноуровневыми ячейками (англ. single-level cell, SLC), каждая из них может хранить только один бит. Некоторые новые устройства с многоуровневыми ячейками (англ. multi-level cell, MLC) могут хранить больше одного бита, используя разный уровень электрического заряда на плавающем затворе транзистора.

Транзистор имеет два затвора: управляющий и плавающий. Последний полностью изолирован и способен удерживать электроны до 10 лет. В ячейке имеются также сток и исток. При программировании напряжением на управляющем затворе создаётся электрическое поле и возникает туннельный эффект. Некоторые электроны туннелируют через слой изолятора и попадают на плавающий затвор, где и будут пребывать. Заряд на плавающем затворе изменяет «ширину» канала сток-исток и его проводимость, что используется при чтении.

Программирование и чтение ячеек сильно различаются в энергопотреблении: устройства флеш-памяти потребляют достаточно большой ток при записи, тогда как при чтении затраты энергии малы.

Для стирания информации на управляющий затвор подаётся высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.

В NOR архитектуре к каждому транзистору необходимо подвести индивидуальный контакт, что увеличивает размеры схемы. Эта проблема решается с помощью NAND архитектуры.

В основе NAND типа лежит И-НЕ элемент (англ. NAND). Принцип работы такой же, от NOR типа отличается только размещением ячеек и их контактами. В результате уже не требуется подводить индивидуальный контакт к каждой ячейке, так что размер и стоимость NAND чипа может быть существенно меньше. Так же запись и стирание происходит быстрее. Однако эта архитектура не позволяет обращаться к произвольной ячейке.

NAND и NOR архитектуры сейчас существуют параллельно и не конкурируют друг с другом, поскольку находят применение в разных областях хранения данных.

Флеш-память была изобретена Фудзи Масуока (Fujio Masuoka), когда он работал в Toshiba в 1984 году. Имя «флеш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзи, Сёдзи Ариизуми (Shoji Ariizumi), потому что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash). Масуока представил свою разработку на IEEE 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM), проходившей в Сан-Франциско, Калифорния. Intel увидела большой потенциал в изобретении и в 1988 году выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR-типа.

NAND-тип флеш-памяти был анонсирован Toshiba в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference. У него была больше скорость записи и меньше площадь чипа.

На конец 2008 года, лидерами по производству флеш-памяти являются Samsung (31% рынка) и Toshiba (19% рынка, включая совместные заводы с Sandisk). (Данные согласно iSupply на Q4'2008). Стандартизацией чипов флеш-памяти типа NAND занимается Open NAND Flash Interface Working Group (ONFI). Текущим стандартом считается спецификация ONFI версии 1.0^[2], выпущенная 28 декабря 2006 года. Группа ONFI поддерживается конкурентами Samsung и Toshiba в производстве NAND чипов: Intel, Hynix и Micron Technology.^[3]

Скорость некоторых устройств с флеш-памятью может доходить до 100 Мб/с^[4]. В основном флеш-карты имеют большой разброс скоростей и обычно маркируются в скоростях стандартного CD-привода (150 КБ/с). Так указанная скорость в 100x означает 100 Ч 150 КБ/с = 15 000 КБ/с= 14.65 МБ/с.

Для увеличения объёма в устройствах часто применяется массив из нескольких чипов. В основном на середину 2007 года USB устройства и карты памяти имеют объём от 512 МБ до 64 ГБ. Самый большой объём USB устройств составляет 1 ТБ.

Флеш-память наиболее известна применением в USB флеш-носителях (англ. USB flash drive). В основном применяется NAND тип памяти, которая подключается через USB по интерфейсу USB mass storage device (USB MSC). Данный интерфейс поддерживается всеми ОС современных версий.

Благодаря большой скорости, объёму и компактным размерам USB флеш-носители полностью вытеснили с рынка дискеты. Например, компания Dell с 2003 года перестала выпускать компьютеры с дисководом гибких дисков^[9].

В данный момент выпускается широкий ассортимент USB флеш-носителей, разных форм и цветов. На рынке присутствуют флешки с автоматическим шифрованием записываемых на них данных. Японская компания Solid Alliance даже выпускает флешки в виде еды^[10].

Есть специальные дистрибутивы GNU/Linux и версии программ, которые могут работать прямо с USB носителей, например, чтобы пользоваться своими приложениями в интернет-кафе.

Технология ReadyBoost в Windows Vista способна использовать USB-флеш носитель или специальную флеш-память, встроенную в компьютер, для увеличения быстродействия^[11]. На флеш-памяти также основываются карты памяти, такие как SecureDigital (SD) и Memory Stick, которые активно применяются в портативной технике (фотоаппараты, мобильные телефоны). Вкупе с USB носителями флеш-память занимает большую часть рынка переносных носителей данных.

NOR тип памяти чаще применяется в BIOS и ROM-памяти устройств, таких как DSL модемы, маршрутизаторы и т. д. Флеш-память позволяет легко обновлять прошивку устройств, при этом скорость записи и объём для таких устройств не так важны.

Заключение

Сейчас активно рассматривается возможность замены жёстких дисков на флеш_память. В результате увеличится скорость включения компьютера, а отсутствие движущихся деталей увеличит срок службы. Например, в XO-1, «ноутбуке за 100 $», который активно разрабатывается для стран третьего мира, вместо жёсткого диска будет использоваться флеш-память объёмом 1 ГБ^[12]. Распространение ограничивает высокая цена за ГБ и меньший срок годности, чем у жёстких дисков из-за ограниченного количества циклов записи.

Библиографический список

1. http://www.wikipedia.org

2. Евсеев Г.А., Симонович С.В. Вы купили компьютер: Полное руководство/ издание 3-е, переработанное.-М.: ИНФОРКОМ-ПРЕСС, 1999,-464с.

3. Гукин Д. Ратбон Э. ПК для «чайников»/ издание 4-е.-М.: АСТ-ПРЕСС, 2001,-230с.