Сравнительный анализ способов и устройств хранения информации

Содержание:

Введение

Много столетий тому назад потребность выразить и запомнить информацию привела к появлению речи, письменности, счета. Люди пытались изобретать, а затем совершенствовать способы хранения, обработки и распространения информации. До сих пор сохранились свидетельства попыток наших далеких предков сохранять информацию – примитивные наскальные рисунки, записи на берестяной коре и глиняных дощечках, затем рукописные книги. Появление в ХVI веке печатного станка позволило значительно увеличить возможности человека обрабатывать и хранить нужные сведения. Это явилось важным этапом развития человечества. Информация в печатном виде была основным способом хранения и обмена и продолжала им оставаться вплоть до середины ХХ века. Время шло, происходили изменения. Появление перфокарт в основном связывается с именем Германа Холлерита, который применил их для проведения переписи населения в США в 1890 году. Тем не менее, первые перфокарты были созданы и использованы существенно раньше. Жозеф Мари Жаккард использовал их для того, чтобы задавать рисунок ткани для своего ткацкого станка ещё в 1804 году. Затем появилась перфолента. И уже в 50-е годы появилась первая магнитная лента. В 1952 году магнитная лента была использована для хранения, записи и считывания информации в компьютере IBM System 701. Магнитный диск был изобретен в компании IBM в начале 50-х годов. Первый, так называемый, гибкий диск был впервые представлен в 1969 году. Жесткий диск изобретен в 1956 году, но продолжает использоваться и постоянно совершенствоваться. Наша цивилизация немыслима в её сегодняшнем состоянии без носителей информации. Наша память ненадёжна, поэтому достаточно давно человечество придумало записывать мысли во всех видах.
Носитель информации - это любое устройство, предназначенное для записи и хранения информации.
Примерами носителей могут быть и бумага, и USB-Flash память, также как и глиняная табличка или человеческая ДНК.
Информация тоже бывает разная - это и текст, и звук, и видео. Только с появлением ЭВМ возникли принципиально новые, гораздо более эффективные способы сбора, хранения, обработки и передачи информации (рис. 1).

Рисунок 1 Развитие способов хранения информации

Хранение информации и данных в наш век задача очень актуальная. Ведь любая хранящаяся на компьютере или ноутбуке информация может быть случайно удалена, утеряна или оказаться недоступной по причине технической поломки внутреннего устройства хранения данных. Даже потеря личной записной книжки крайне неприятна. Поэтому везде, где используется компьютерная техника, и на работе, и дома, следует предусмотреть организацию системы хранения информации.  Запоминающее устройство — носитель информации, предназначенный для записи и хранения данных. Устройства хранения информации делятся на 2 вида:

- внутренние устройства, являющиеся конструктивным элементом материнской платы;

- внешние (периферийные) устройства

К элементам внутренней памяти относятся: оперативная память (ОЗУ); кэш-память и специальная память. Внутренняя память реализуется на интегральных микросхемах и является электронной памятью. Внешняя память реализуется в виде накопителей, а данные

хранятся на носителях. К элементам внешней памяти относятся: жёсткие диски (HDD); накопители на гибких магнитных дисках (FDD); накопители на компакт-дисках (CD); накопители на магнитной ленте (Streamer); Flash-накопители.

Устройства памяти являются одним из основных составляющих компьютера, предназначенные для хранения программ и обрабатываемых данных. Различают устройства внешней и внутренней памяти, каждые из которых отличаются своими принципами действия и характеристиками. В своей работе я предлагаю рассмотреть различные запоминающие устройства компьютера и провести сравнительный анализ их, выявить преимущества и недостатки.

• 1. Внутренние запоминающие устройства

К внутренним устройствам хранения информации относятся оперативная память, кэш-память и специальная память- CMOS и BIOS. Главным достоинством является высокая скорость обработки информации. Рассмотрим подробнее

1.1. Оперативная память

Оперативная память (RAM – random access memory, ОЗУ) – устройство, предназначенное для хранения обрабатываемой информации (данных) и программ, управляющих процессом обработки информации. Оперативная память – один из главных элементов компьютера. «Оперативная» память и называется потому, что очень быстро работает и позволяет процессору практически без какого-либо заметного ожидания читать информацию из памяти. Содержащиеся в оперативной памяти данные сохранены и доступны только тогда, когда компьютер включен. При выключении компьютера содержимое стирается из оперативной памяти, поэтому перед выключением компьютера все данные нужно сохранить. От объема оперативной памяти зависит количество задач, которые одновременно может выполнять компьютер. Устройства оперативной памяти иногда называют запоминающими устройствами с произвольным доступом. Это означает, что обращение к данным, хранящимся в оперативной памяти, не зависит от порядка их расположения в ней. Когда говорят о памяти компьютера, обычно подразумевают оперативную память, прежде всего микросхемы памяти или модули, в которых хранятся активные программы и данные, используемые процессором.

Главные требования к памяти:

• максимальный объем;
• максимальное быстродействие;
• максимальная надежность.

От объема оперативной памяти зависит, сможет ли компьютер работать с той или иной программой. При недостаточном количестве памяти программы либо совсем не будут работать, либо будут работать медленно. Конструктивно оперативная память представляет собой набор микросхем, размещенных на одной небольшой плате (модуле). Модуль (рис.1) оперативной памяти вставляется в соответствующий разъем материнской платы, что и позволяет таким образом связываться с другими устройствами компьютера.

Рисунок 2 Внешний вид оперативной памяти

Существуют различные типы оперативной памяти, но с точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM). Первоначально оперативная память была статического типа. Ячейка ОЗУ строилась на базе транзисторного каскада, который мог содержать до 10 транзисторов. Быстродействие у статической памяти было высокое, поскольку время переключения транзисторов из одного состояния в другое очень мало. Однако такое количество транзисторов в расчете на одну ячейку памяти занимало довольно большой физический объем, то есть "втиснуть" большой объем памяти в малое физическое пространство оказалось невозможным. Еще одной неприятной особенностью статического массива памяти оказалось, что транзисторы потребляют относительно большой уровень энергии, что отражается на ограничения максимального объема памяти. Указанных выше недостатков лишена  динамическая память. Основное преимущество памяти этого типа состоит в том, что ее ячейки упакованы очень плотно, т.е. в небольшую микросхему можно упаковать много битов, а значит, на их основе можно построить память большой емкости. Ячейки памяти в микросхеме DRAM – это крошечные конденсаторы, которые удерживают заряды. Именно так (наличием или отсутствием зарядов) и кодируются биты. Энергопотребление динамической памяти гораздо ниже. Но, тут возникли проблемы с быстродействием, а именно:

- разряд/заряд конденсатора - процесс более длительный, чем простое переключение транзистора; - ток утечки конденсатора, который тем больше, чем меньше емкость конденсатора. Поэтому для нормальной работы динамической памяти требуется периодическая регенерация памяти (подзаряд конденсаторов). Регенерация происходит, когда контроллер памяти системы берет крошечный перерыв и обращается ко всем строкам данных в микросхемах памяти. Большинство систем имеют контроллер памяти (обычно встраиваемый в набор микросхем системной платы), который настроен на соответствующую промышленным стандартам частоту регенерации, равную, например, 15 мкс. Ко всем строкам данных обращение осуществляется по прохождении 128 специальных циклов регенерации. Это означает, что каждые 1,92 мс (128x15 мкс) прочитываются все строки в памяти для обеспечения регенерации данных.

Регенерация памяти, к сожалению, отнимает время у процессора: каждый цикл регенерации по длительности занимает несколько циклов центрального процессора. В старых компьютерах циклы регенерации могли занимать до 10% (или больше) процессорного времени, но в современных системах, работающих на частотах, равных сотням мегагерц, расходы на регенерацию составляют 1% (или меньше) процессорного времени. Некоторые системы позволяют изменить параметры регенерации с помощью программы установки параметров CMOS, но увеличение времени между циклами регенерации может привести к тому, что в некоторых ячейках памяти заряд “стечет”, а это вызовет сбои памяти. В большинстве случаев надежнее придерживаться рекомендуемой или заданной по умолчанию частоты регенерации. Поскольку затраты на регенерацию в современных компьютерах составляют менее 1%, изменение частоты регенерации оказывает незначительное влияние на характеристики компьютера. Одним из наиболее приемлемых вариантов является использование для синхронизации памяти значений по умолчанию или автоматических настроек, заданных с помощью Setup BIOS. Большинство современных систем не позволяют изменять заданную синхронизацию памяти, постоянно используя автоматически установленные параметры. При автоматической установке системная плата считывает параметры синхронизации из системы определения последовательности в ПЗУ (serial presence detect – SPD) и устанавливает частоту периодической подачи импульсов в соответствии с полученными данными. В устройствах DRAM для хранения одного бита используется только один транзистор и пара конденсаторов, поэтому они более вместительны, чем микросхемы других типов памяти. В настоящее время имеются микросхемы динамической оперативной памяти емкостью 16 Гбайт и больше. Это означает, что подобные микросхемы содержат миллиарды транзисторов. В микросхеме памяти все транзисторы и конденсаторы размещаются последовательно, обычно в узлах квадратной решетки, в виде очень простых, периодически повторяющихся структур. Транзистор для каждого одноразрядного регистра DRAM используется для чтения состояния смежного конденсатора. Если конденсатор заряжен, в ячейке записана 1, если заряда нет – записан 0. Заряды в крошечных конденсаторах все время стекают, вот почему память должна постоянно регенерироваться. Даже мгновенное прерывание подачи питания или какой-нибудь сбой в циклах регенерации приведет к потере заряда в ячейке DRAM, а следовательно, и к потере данных. В работающей системе подобное приводит к появлению “синего” экрана, глобальным отказам системы защиты, повреждению файлов или к полному отказу системы. В большинстве систем оперативной памяти современных ПК используется динамическая оперативная память, поскольку она недорогая. Оперативная память энергозависима – при выключении электропитания информация, помещенная в оперативную память, исчезает безвозвратно (если она не была сохранена на какой-либо носитель информации). В оперативную память программа и данные для ее работы попадают из других устройств, загружаются из внешней памяти, энергонезависимых устройств памяти (жесткий диск, компакт-диск и т.д.). Таким образом,  загрузить  программу означает прочесть ее из файла, находящегося на одном из устройств внешней памяти, и прочитанную копию разместить в оперативную память, после этого микропроцессор начнет ее выполнение. Оперативная память хранит загруженную, выполняющуюся сей момент программу и данные, которые с ее помощью обрабатываются. Если после обработки предполагается дальнейшее использование данных (текстовой документ, графическое изображение, таблицы, звук и т.д ), то копию этого документа из оперативной памяти можно записать на одном из устройств внешней памяти (например, на жестком диске), создав на жестком диске файл, хранящий документ. Основополагающим требованием для оперативной памяти является ее объем (современные модули памяти имеют объем в несколько Гб), поэтому динамическая память оказалась предпочтительней, несмотря на то, что она работает медленнее и имеет сложную схему управляющего контроллера. Статическая память нашла свое применение в кэш-памяти, которая располагается непосредственно на кристалле центрального процессора, имеет невысокий объем (десятки-сотни Кб), но очень высокое быстродействие, соизмеримое с быстродействием самого процессора.

1.2 Кэш-память

Кэш (англ. cache) или сверхоперативная память – очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации. Кэш-памятью управляет специальное устройство – контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования. Кэш-память играет роль буфера между очень ограниченными, но очень быстрыми регистрами процессора и сравнительно медленной, но гораздо более вместительной основной памятью компьютера, обычно называемой ОЗУ (RAM). Кэш-память работает примерно со скоростью самого процессора, поэтому, когда процессор обращается к данным в кэше, процессору не приходится ждать этих данных. Кэш память устроена так, что при попытке прочитать данные из ОЗУ сначала аппаратным образом проверяется, нет ли нужных данных в кэше. Если эти данные в кэше, они быстро извлекаются и используются процессором. Однако в противном случае эти данные считываются из ОЗУ и в момент передачи процессору также помещаются в кэш (на случай, если они понадобятся позже). С точки зрения процессора всё это происходит прозрачно, так как единственное, что отличается между обращениями к данным в кэше или обращением к данным в ОЗУ — это время, необходимое для получения данных. С точки зрения объёма хранилища, кэш намного меньше ОЗУ. Следовательно, далеко не каждый байт в ОЗУ может найти своё место в кэше. Поэтому кэш необходимо разделить на части, в которых будут кэшироваться разные области ОЗУ, и реализовать механизм, позволяющий в каждом разделе кэша кэшировать в разное время разные области ОЗУ. И хотя размеры кэша и ОЗУ отличаются, с учётом последовательного и локального характера доступа к хранилищу небольшой кэш может эффективно ускорить доступ к ОЗУ большого объёма. Когда процессор пишет данные, всё выглядит несколько сложней. Запись может производиться двумя способами. В обоих случаях данные сначала записываются в кэш. Однако, так как кэш предназначен для быстрого предоставления копии содержимого определённых областей ОЗУ, при каждом изменении данных новое значение должно попадать и в кэш, и в ОЗУ. В противном случае данные в кэше и в ОЗУ не будут соответствовать друг другу. Здесь возможны два подхода. При первом подходе, который называется кэшированием со сквозной записью, данные записываются в ОЗУ немедленно. При кэшировании с отложенной записью, запись изменённых данных в ОЗУ выполнятся позже. Смысл этого в том, чтобы сократить число операций записи часто изменяемых данных, которые должны быть записаны в ОЗУ. Подсистема кэша в конструкции современных компьютеров может быть многоуровневой, то есть между процессором и основной памятью может находиться не один кэш, а несколько. Уровни кэша часто нумеруются, при этом, чем меньше номер, тем ближе он к процессору. На многих компьютерах имеется два уровня кэша:

• кэш L1, который обычно находится непосредственно внутри процессора и работает со скоростью процессора
• кэш L2 обычно является частью процессорного модуля, его скорость равна (или почти равна) скорости процессора, при этом он немного больше и медленнее кэша L1.

Некоторые компьютеры (чаще всего это высокопроизводительные серверы) имеют ещё кэш L3, который обычно расположен на материнской плате. Как можно догадаться, кэша L3 больше (и вероятнее всего медленнее), чем L2.

В любом случае, цель всех подсистем кэширования, как одноуровневых, так и многоуровневых — сократить среднее время доступа к ОЗУ.

1.3 CMOS-память 

CMOS-память  (изготовленная по технологии CMOS – complementary metal – oxide semiconductor) предназначена для длительного хранения данных о конфигурации и настройке компьютера (дата, время, пароль), в том числе и когда питание компьютера выключено. Для этого используют специальные электронные схемы со средним быстродействием, но очень малым энергопотреблением, питаемые от специального аккумулятора, установленного на материнской плате. Это полупостоянная память.

Данные записываются и считываются под управлением команд, содержащихся в другом виде памяти – BIOS.

1.4 BIOS - память

BIOS – постоянная память, т.е. память, хранящая информацию при отключенном питании теоретически сколь угодно долго, в которую данные занесены при ее изготовлении. Такой вид памяти называется ROM (read only memory). BIOS (Basic Input-Output System) – базовая система ввода-вывода – содержит наборы групп команд, называемых функциями, для непосредственного управления различными устройствами ПК, их тестирования при включении питания и осуществления начального этапа загрузки операционной системы компьютера. В BIOS содержится также программа настройки конфигурации компьютера – SETUP. Она позволяет установить некоторые характеристики устройств ПК. BIOS как система непосредственно ориентирована на конкретную аппаратную реализацию компьютера и может быть различной даже в однотипных компьютерах.

2. Внешние запоминающие устройства

В оперативной памяти данные хранятся до выключения питания. Однако существует информация, которую следует хранить долгое время. Для этого компьютеру необходима дополнительная память. Такого рода устройства называются периферийными или внешними запоминающими устройствами (ВЗУ). Таковыми являются накопители на магнитной ленте (стримеры), накопители на дискетах, винчестеры, CD-ROM, магнитооптические диски.
В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:
Они могут быть встроены в системный блок или выполнены в виде самостоятельных блоков, связанных с системным через его порты. Важной характеристикой внешней памяти служит ее объем. Объем внешней памяти можно увеличивать, добавляя новые накопители. Не менее важными характеристиками внешней памяти являются время доступа к информации и скорость обмена информацией. Эти параметры зависят от устройства считывания информации и организации типа доступа к ней.
По типу доступа к информации устройства внешней памяти делятся на два класса: устройства прямого (произвольного) доступа и устройства последовательного доступа. При прямом (произвольном) доступе время доступа к информации не зависит от ее места расположения на носителе. При последовательном доступе время доступа зависит от местоположения информации.
Скорость обмена информацией зависит от скорости ее считывания или записи на носитель, что определяется, в свою очередь, скоростью вращения или перемещения этого носителя в устройстве.
Внешняя (долговременная) память - это место хранения данных, не используемых в данный момент в памяти компьютера.
Устройства внешней памяти - это, прежде всего, магнитные устройства для хранения информации.
По способу записи и чтения информации запоминающие устройства можно подразделить на:
- накопители на жёстких магнитных дисках;
- накопители на гибких магнитных дисках;
- накопители на компакт-дисках;
- накопители на магнито-оптических компакт-дисках;
- виртуальные диски .

2.1 Жесткий магнитный диск 

Жесткий магнитный диск (винчестер, HDD – Hard Disk Drive) - энергонезависимое перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство ( рис.3).

Рисунок 3. Устройство жесткого магнитного диска

Является основным накопителем данных практически во всех компьютерах. Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники. Основа гермоблока – это корпус, внутри которого находятся все комплектующие жёсткого диска. Закрывается гермоблок крышкой для защиты от пыли и грязи.
Внутри гермоблока находятся диски (пластины) с магнитным покрытием, а также блок головок с устройством позиционирования и электропривод шпинделя. 
Диски жёстко закреплены на шпинделе электропривода. Электромотор вращает диски со скоростью, достигающей в некоторых моделях жёстких дисков до 15000 оборотов в минуту. Интегральная схема поддерживает скорость вращения двигателя постоянной. HDD помещен в почти полностью герметизированный корпус, изолирован от внешней среды, тем самым предотвращается попадание пыли и других частиц, которые могут повредить магнитный носитель или чувствительные головки для чтения/записи, располагаемые над поверхностью быстро вращающегося диска на расстоянии нескольких десятимиллионных долей дюйма.Сердце жёсткого диска – алюминиевая пластина, именно на ней хранятся все данные и пользовательские и служебные. Данные хранятся в узких дорожках на поверхности диска (более 200 тысяч таких дорожек). Каждая дорожка на диске разделена на секторы. Карта дорожек и секторов, записанная в контроллере, позволяет головке определить место, куда записать или где считать информацию.
Всю информацию запоминает ферромагнитная плёнка на поверхности диска. Для этого головка намагничивает микроскопическую область на этой плёнке, устанавливая магнитный момент такой ячейки в одно из значений ноль или единица. Каждый такой ноль или единица называются битами, а значение бита соответствует ориентации магнитного поля: плюсу или минусу. Принцип работы жёстких дисков следующий: ферромагнитная рабочая поверхность диска движется относительно считывающей магнитной головки, контроллер указывает место, откуда необходимо считать /записать данные. Для адресации поверхность диска делится на дорожки – концентрические кольцевые области, а дорожки делятся на секторы.
Высокая скорость вращения дисков в сочетании с сверхскоростным механизмом перемещения головок относительно дорожек – главные факторы, определяющие общую производительность жесткого диска. Тонкая плёнка на поверхности дисков может запомнить множество разной информации. На каждом квадратном сантиметре поверхности можно записать до 30 миллиардов битов.  Практически все современные жесткие диски выпускаются по технологии, использующей магниторезистивный эффект. Благодаря этому в последний год емкость дисков растет быстрыми темпами за счет повышения плотности записи информации. Итак, анализируем плюсы и минусы записи информации на жесткий магнитный диск (HDD)

Достоинства:

• очень высокая надежность хранения информации;
• большой объем для хранения данных;
• высокая скорость записи и удаления информации;
• самая маленькая стоимость хранения информации за 1мб;
• удобство при работе и организации данных.

Недостатки:

• в силу своих технических особенностей жесткие диски на магнитных дисках очень критичны к падению;
• Нельзя допускать сильного нагрева во время работы.

2.2. Гибкие диски

В 1971 году первые дискеты поступили в продажу, и это стало настоящей революцией в компьютерном мире. На гибком диске помещалось около 80 Кб информации. Люди, работавшие с компьютером, теперь могли сохранять результаты своего труда на дискете и переставали быть привязанными к конкретному компьютеру. К середине 1970-х миниатюризация компьютеров стала одной из основных тенденций. Дисковод для 8-дюймовых дискет весил чуть менее 10 кг и был слишком громоздким. Так в 1976 году появились дискеты размером 5,25 дюйма (от 360Кб до 1,20 Мб), ставшие на несколько лет стандартом для персональных компьютеров. В начале 1980-х их сменили 3,5-дюймовые дискеты (от 760Кб до 1,44Мб), предложенные компанией Sony. Гибкие магнитные диски помещаются в пластмассовый корпус ( рис.4).

Рисунок 4 Накопитель на гибких магнитных дисках, дискета

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. Анализируем плюсы и минусы использования дискет. Достоинства:

• простота в работе;
• дешевизна;
• не требуется дополнительных программ для работы с дисководом

Недостатки:

• малый объем (1,44 Мб);
•  из-за использования магнитного принципа хранения информации дискеты не отличаются надежностью в плане длительного хранения этой самой информации;
• малый срок службы.

2.3 Компактный оптический диск 

Компактный оптический диск (CD) – это пластмассовый диск со специальным покрытием, на котором в цифровой форме размещается записанная информация (рис.5)

Рисунок 5 Накопитель на компакт-дисках, компакт-диск

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 устройствах CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory – компакт-диск только для чтения) носителем информации является оптический диск (компакт-диск), изготавливаемый на поточном производстве с помощью штамповочных машин и предназначенный только для чтения. Компакт-диск представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра. Информация на диске представляется в виде последовательности впадин и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска (на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек). Емкость такого CD достигает 780 Мбайт, что позволяет создавать на его основе справочные системы и учебные комплексы с большой иллюстративной базой. Один CD по информационной емкости равен почти 500 дискетам. Считывание информации с CD-ROM происходит с достаточно высокой скоростью, хотя и заметно меньшей, чем скорость работы накопителей на жестком диске.

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. Они позволяют наряду с прочтением обычных компакт-дисков однократно записывать информацию на специальные оптические диски CD-R. Информационный объем таких дисков составляет 700 Мбайт. Запись на такие диски осуществляется благодаря наличию на них особого светочувствительного слоя из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные впадинам. Запись информации на диски CD-R представляет собой дешевый и оперативный способ хранения больших объемов данных.

Накопители CD-RW (CD-ReWritable) дают возможность делать многократную запись на диск. Информационный объем таких дисков составляет 700 Мбайт. В CD-RW в качестве промежуточного слоя также используется органический состав, который способен при сильном нагревеании переходить из кристаллического (прозрачного для лазера) состояния в аморфное. Слабый нагрев возвращает его обратно в кристаллическое состояние. Таким образом осуществляется перезапись.

Для того чтобы прочитать или записать информацию на один из выше перечисленных CD-дисков, необходим соответствующий CD-дисковод. Дисковод CD-ROM позволяет только считывать информацию с любых CD-дисков. Соответственно между собой такие устройства будут различаться скоростью чтения и кэш-памятью. Дисковод CD-R – прочитать и записать, а дисковод CD-RW не только читает, но и перезаписывает (стирает информацию и записывает поверх нее новую). Такие дисководы различаются скоростью чтения/записи/перезаписи (последнее только для CD-RW) и размером кэш.

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. Снаружи DVD выглядит как обычный CD, и даже при ближайшем рассмотрении тяжело заметить разницу. Однако возможностей у DVD гораздо больше. Диски DVD могут хранить в 26 раз больше данных по сравнению CD-ROM. Технология DVD стала огромным скачком в области носителей информации. Стандартный односторонний однослойный диск может хранить 4,7 Gb данных. Но DVD могут изготавливаться по двухслойному стандарту, который позволяет увеличить количество хранимых на одной стороне данных до 8,5 Gb. Кроме этого, диски DVD бывают двухсторонними, что увеличивает емкость диска до 17 Gb. Но для того, чтобы считать DVD-диск, необходимо новое устройство (DVD-ROM), технология DVD совместима с технологией CD, и привод DVD-ROM читает и диски CD-диск, причем разных форматов.

Вслед за DVD в конце 2001 года появились устройства Blu-Ray, позволяющие работать в синей области спектра с длиной волны , равной 450–400 нм. Blu-Ray - формат оптического носителя, используемый для записи и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости с повышенной плотностью. Стандарт Blu-ray был совместно разработан консорциумом BDA. В новой технологии появились кардинальные изменения в логической структуре диска, стоимости и других параметрах. Длина волны синего лазера укоротилась до 405 нм, что позволило позиционировать луч намного точнее, следовательно, и размещать данные на диске с большей плотностью. Более короткая длина волны сине-фиолетового лазера позволяет хранить больше информации на 12 см дисках того же размера, что и у CD/DVD. BD является продуктом нового поколения, наиболее прогрессивным, отвечающим "требованиям нашего времени", чем CD и DVD.

Анализируем запись информации на оптические носители (CD-R/RW, DVD-R/RW, BD-R/RW).

Достоинства:

• Дешевизна дисков.

Недостатки:

• Очень ограниченный объем хранимой информации;
• Нет возможности произвести перезапись информации (кроме RW дисков, но само долговременное хранение на них информации опасно, в силу своих технических особенностей, да и я считаю издевательством над самим собой постоянную запись или перезапись медленных RW дисков);
• С ростом объема данных количество записанных дисков тоже растет, они начинают занимать много места, становиться трудно контролировать — что, куда и когда записал;
• Не совместимость некоторых оптических носителей с приводами для их чтения;
• Без должного отношения к хранению и эксплуатации диски получают механические повреждения, что приводит к невозможности прочитать с него информацию. SSD диски: на смену жестким дискам приходит новый тип - SSD (Solid State Disk) – твердотельный накопитель, который работает по принципу флеш-памяти USB. Одна из самых важных его отличительных черт от обычных винчестеров и оптических накопителей – в его устройство не входит никаких подвижных деталей и механических компонентов. Накопители данного типа, как это часто бывает, изначально разрабатывались исключительно для военных целей, а также для высокоскоростных серверов

Преимущества по сравнению с жёсткими дисками:

• меньше время загрузки системы;
• производительность: скорость чтения и записи до 270 МБ/с;
• низкая потребляемая мощность;
• высокая механическая стойкость;
• широкий диапазон рабочих температур;
• отсутствие движущихся частей;
• полное отсутствие шума от движущихся частей и охлаждающих вентиляторов;
• практически устойчивое время считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;
• малый размер и вес.

Недостатки;

• стоимость
• ограниченное количество циклов чтения/записи, т.е. ограниченный срок службы.

  1. Стримеры

Стримеры – это устройство, предназначенное для резервного копирования больших объемов данных. Носителем является кассета с магнитной лентой (рис.6 ).

Рисунок 6 Накопитель на магнитной ленте, кассеты с магнитной лентой

Их отличает сравнительно низкая цена. К недостаткам стримеров относят малую производительность, связанная прежде всего с тем, что магнитная лента — это устройство последовательного доступа и недостаточную надежность (кроме электромагнитных наводок, ленты стримеров испытывают повышенные механические нагрузки и могут физически выходить из строя). Стримеры широко используют в системах разведки, безопасности, связи, навигации и в десятке других областей, где надо непрерывно записывать огромные массивы данных при безусловном обеспечении надежности хранения. Стоит отметить, что объем хранимых данных у стримера измеряется не в мега /гигабайтах, как это свойственно для всех остальных типов внешних накопителей, а в терабайтах.

2.5 Флэш-память

Флэш-памятью ( от английского "вспышка", "кадр") называется особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти. Этот тип памяти не содержит механических элементов, допускает многократное изменение находящейся на ней информации и не требует дополнительной энергии для её хранения. Идеологически флэш-память сочетает в себе память с произвольной выборкой ( Random Access Memory - RAM ) и постоянное запоминающее устройство ( Read Only Memory - ROM ), т.е. позволяет изменять информацию как RAM и не теряет информацию при отключении питания как ROM ( информация, записанная на флэш-память, может храниться до 100 лет и допускает до 1 млн. циклов перезаписи ). Отдельная ячейка флэш-памяти состоит из особого транзистора и отличается от ячеек другой полупроводниковой памяти отсутствием конденсаторов и возможностью хранения сразу несколько бит информации. Благодаря отсутствию подвижных механических частей флэш - память чрезвычайно устойчива к падениям и влажности. Другим преимуществом флэш-памяти перед традиционными жесткими дисками и носителями DVD/CD является значительно меньшее ( в 20 и более раз ) потребление энергии во время работы. Немаловажным является и размер флэш-памяти - она гораздо компактнее большинства других традиционных механических носителей. Благодаря перечисленным достоинствам и особенностям флэш-память является идеальным универсальным носителем информации для множества портативных устройств: цифровых фото- и видеокамер, сотовых телефонов с поддержкой мультимедиа, портативных компьютеров, МП3- плейеров и др. (рис 7)

Рисунок 7 Различные виды флэш-накопителей

Существуют различные точки зрения на авторство технологи флэш и всё- же первоначально производство флэш-памяти было начато на заводах корпорации Toshiba. Флэш-память использует особый тип ячейки, созданной на базе транзистора. Основная особенность заключается в том, что стирание её содержимого выполняется либо для всей микрохемы, либо для определенного блока ( кадра ). Обычно размер такого блока составляет от 256 байт до 256 Кбайт. Простота устройства и принципа работы флэш-памяти выгодно сказывается на её себестоимости, но имеет и другую сторону. Так как работа производится только с блоками данных, то для того, чтобы изменить содержимое нескольких ячеек памяти, приходится считывать весь блок, в котором они находятся, в специальный буфер, изменять в нем значение требуемых ячеек, а затем переносить измененные данные из буфера обратно. Поэтому производительность ( скорость работы флэш-памяти) будет максимальной лишь при работе с большими объемами данных, запись которых происходит последовательными блоками, минуя изменения в буфере. Существуют микросхемы, которые с целью оптимизации быстродействия, имеют возможность работы с блоками памяти разных размеров, адаптируясь к выполняемой задаче. Самыми популярным среди пользователей ПК являются носители памяти в виде брелоков с USB - интерфейсом. Они выполнены дизайнерами в самых различных формах и цветах, а вот внутреннее оснащение у всех флэшек приблизительно одинаковое. Про технические характеристики говорить не имеет смысла, поскольку скорости растут с каждым днем, как и максимальные объемы, а габариты и вес не имеют особого значения. Как и у любого другого устройства у флешки есть свои недостатки: она чувствительна к электростатическому разряду — обычное явление в быту, особенно зимой. Объем USB – флеш накопителя составляет 2ГБ, 4ГБ, 8ГБ, 16ГБ, 32ГБ, 64ГБ и более, например, 128ГБ и 256ГБ. Вопрос цены: чем больше память флешки, тем выше ее цена на рынке.

• 1. Облачные хранилища

Самым новым и модным средством хранения личных данных являются облачные хранилища (рис.8). Суть в том, что компании, предоставляющие эти сервисы, организовывают огромные хранилища (на все тех же жестких дисках) и предоставляют пользователям независимые «кусочки» этого массива для хранения данных.

Рисунок 8 Облачные хранилища

Достоинством этого способа:

• Имеется доступ к своим данным везде, где есть доступ в интернет.
• Многие сервисы предоставляют определенный объем памяти.
• Хорошая защита данных.
• Экономия места на жестком диске, что увеличивает скорость считывания информации с жесткого диска.

Недостатки:

• Возникает возможность хищения информации при передаче данных.
• В зависимости от услуг провайдера тоже может произойти утечка данных.

Заключение

Замечательным запоминающим устройством является человеческий мозг, содержащий около (10—15)–10⁹ нейронов — ячеек, совмещающих функции памяти и логической обработки информации. Объём мозга в среднем 1,5 дм³, масса 1,2 кг, потребляемая мощность около 2,5 вт. Лучшие современные электронные запоминающие устройства при такой же ёмкости занимают объём в несколько м³ при массе в десятки и сотни кг, а потребляемая мощность достигает несколько квт. Научно обоснованные прогнозы утверждают, что совершенствование электронной техники и применение новых высокоэффективных накопительных сред в сочетании с широким использованием методов бионики при решении проблем, связанных с синтезом запоминающих устройств, позволят создавать запоминающие устройства, близкие по параметрам памяти человека. Современные технологии записи информации продолжают стремительно развиваться, особенно в последние годы. Прогресс движется в сторону увеличения ёмкости, увеличения скорости и надёжности систем сохранения информации. Те решения, которые ещё вчера были приемлемы только для серверов, сегодня становятся нормальными для обычных домашних рабочих станций или даже с трудом удовлетворяющими их потребностям. Это вполне нормально, т.к. производительность процессоров стремительно растет, а программы наделяются всё большими и большими способностями. Всё это сопровождается постоянным снижением цен, что делает новейшую технику сравнительно доступной. Различные способы хранения и записи информации служат для различных целей. На сегодняшний день не существует универсального запоминающего устройства, которое может быть использовано как постоянное и переносное одновременно, и при этом быть доступным рядовым пользователям. Информацию необходимо сохранять на носителях, не зависящих от наличия напряжения, и таких размеров, которые превышают возможности всех современных видов первичной памяти. В ходе данной работы мы выяснили, что конфигурация памяти компьютера в основном определяется тремя показателями: объем, быстродействие и стоимость. Какой бы большой ни была память, все равно найдутся приложения, которым ее не хватит. С каждым днем появляются все новые и новые устройства, новые технологии, открытия, сфера производства памяти для компьютера динамично развивается, появляются усовершенствованные запоминающие устройства, как внешней, так и внутренней памяти.

Используемая литература

1 Алехина Г.В., Годин И.М., Иванько А.Ф., Иванько М.А., Мастяев Ф.А., Петрик Е.А. Информатика. / Московская финансово-промышленная академия. – М., 2005. 2 Захаров В.В. "Новейшая энциклопедия персонального компьютера 2008". Издательство: "РИПОЛ классик" Москва, 2008 3 Беляев М.А., Малинина Л.А., Лысенко В.В Основы информатики, 2013 4 Угринович Н.Д. "Информатика и информационные технологии". Издательство: "БИНОМ" Москва, 2003 5 Научные статьи из Интернета