Физические носители данных. Их классификация, характеристики и назначение

Типы цифровых носителей информации

* Магнитные носители:

o стриммеры (магнитная лента)

o флоппи-диски

o винчестеры (HDD)

o zip-диски

o D-VHS

o Компакт-диски

* Магнитооптические системы:

o Магнитооптический диск(Mini Disk)

* Оптическая запись:

o CD

o DVD

o Blue-Ray DVD

o HD-DVD

* Flash-память:

o Флэш-память

* Физические носители:

o Перфокарты

o Перфоленты

o Millipede

Стриммер — запоминающее устройство на магнитной ленте, по принципу действия — обычный магнитофон. Преимущества: большая ёмкость, невысокая стоимость информационного носителя, стабильность работы, надёжность.

Недостатки: медленный последовательный доступ (необходимо ждать пока лента перемотается к нужному участку), опасность размагничивания. Основное назначение: архивация данных.

Дискета — магнитный носитель информации, используемый для многократной записи и хранения данных.

Хронология возникновения форматов дискет
Формат	Год возникновения	Обьем в килобайтах
8"
8"
8"
8" двойной плотности
5¼"
5¼" двойной плотности
5¼" четырёхкратной плотности
3"	1982?
3" двойной плотности	1984?
3½" двойной плотности
2"	1985?	720?
3½" высокой плотности
3½" расширенной плотности

Жёсткий диск (англ. hard disk drive, HDD, другие названия — винчестер, накопитель на жёстких магнитных дисках — НЖМД) — устройство для хранения информации.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты) — информация записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря тонкой прослойке воздуха, образуемой при быстром вращении дисков.

Современные жёсткие диски, как правило, совершают 5400 или 7200 оборотов в минуту (90 или 120 об/с). Первый жёсткий диск для персонального компьютера (IBM XT) имел ёмкость 5 Мб; ёмкость современных винчестеров достигает 500 Гб. В отличие от принятой в информатике системе приставок, обозначающих кратную 1024 величину (кило=1024, мега=1048576 и т. д.), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются кратные 1000 величины. Так, например, «настоящая» емкость жёсткого диска, маркированного как «200 Гб», составляет 186,2 Гб.

Метод параллельной записи/На данный момент это самая распространённая технология записи информации на НЖМД. Биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая проходя над поверхностью вращающегося диска, от центра к краю, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей — доменов. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности. На сегодняшний день, домены становятся настолько малы, что остро встаёт вопрос о их стабильности.

Метод перпендикулярной записи/Для того чтобы решить проблему с дальнейшим увеличением плотности, многие производители рассматривают технологию, при которой биты информации сохранялись бы в вертикальных доменах. Это позволит использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи одного бита. Плотность записи у эксперементального прототипа — 200 Гбит/дюйм², в дальнейшем планируется довести плотность до 400—500 Гбит/дюйм².

Метод тепловой магнитной записи/Метод тепловой магнитной записи (Beat assisted magnetic recording — HAMR) на данный момент активно разрабатывается. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность «закрепляется».

Магнитооптический диск сочетает свойства оптических и магнитных накопителей. Технические детали/Диск изготовлен с использованием ферромагнетиков.

Запись на магнитооптический диск осуществляется по следующей технологии: излучение лазера разогревает пит выше температуры точки Кюри, после чего электромагнитный импульс изменяет показатель преломления (Эффект Керра) материала пита. Считывание осуществляется тем же самым лазером, но на меньшей мощности, недостаточной для разогрева диска: лазерный луч проходит сквозь материал диска, отражается от подложки, проходит сквозь оптическую систему и попадает на датчик.

Первые магнитооптические диски были размером с 5,25" дискету, потом появились диски размером 3,5".

Преимущества:

* Слабая подверженность механическим повреждениям

* Слабая подверженность магнитным полям

* Гарантированное качество записи

Недостатки:

* Относительно низкая скорость записи, вызванная необходимостью перед записью стирать содержимое диска, а после записи — проверкой на чтение. Данный недостаток начал устраняться в поздних (начиная с 1997 года) моделях приводов.

* Высокое энергопотребление. Для разогрева поверхности требуются лазеры значительной мощности, а следовательно и высокого энергопотребления. Это затрудняет использование пишущих МО приводов в мобильных устройствах.

Компакт-диск («CD», «CD-ROM», «КД ПЗУ») — оптический носитель информации в виде диска с отверстием в центре, информация с которого считывается с помощью лазера. Изначально компакт-диск был создан для цифрового хранения аудио (т. н. Audio-CD), однако в настоящее время широко используется как устройство хранения данных широкого назначения (т. н. CD-ROM). Аудио-компакт-диски по формату отличаются от компакт-дисков с данными и CD-плееры обычно могут воспроизводить только их (на компьютере, конечно, можно прочитать оба вида дисков). Встречаются диски, содержащие как аудиоинформацию, так и данные — их можно и послушать на CD-плеере, и прочитать на компьютере. С развитием mp3 производители бытовых CD-плееров и музыкальных центров начали снабжать их возможностью чтения mp3-файлов с CD-ROM’ов.

Аббревиатура «CD-ROM» означает «Compact Disk Read Only Memory» и обозначает компакт-диск как носитель информации широкого применения (в отличие от аудио-компакт-диска). «КД ПЗУ» означает «Компакт-диск, постоянное запоминающее устройство». CD-ROM’ом часто ошибочно называют привод для чтения компакт-дисков.

Технические детали.Компакт-диски изготавливаются из поликарбоната толщиной 1,2 мм, покрытого тончайшим слоем алюминия (ранее использовалось золото) с защитным слоем из лака, на котором обычно печатается этикетка. Поэтому, вопреки распространённому мнению, компакт-диск никогда не следует класть вверх ногами — этикеткой вниз — так как отражающий алюминиевый слой, на котором и хранятся данные, снизу защищён, как было сказано выше, 1,2-миллиметровым слоем поликарбоната, а сверху — лишь тонким слоем лака.

Обычно компакт-диски имеют в диаметре 12 см и вмещают до 650 мегабайт информации (или 74 минуты аудио). Есть предположение, что разработчики рассчитывали объём так, чтобы на диске полностью поместилась девятая симфония Бетховена, длящаяся именно 74 минуты. Однако, всё большее распространение получают диски объёмом 700 мегабайт (80 минут аудио). Встречаются и носители объёмом 800 мегабайт (90 минут) и даже больше, однако они могут не читаться на некоторых приводах компакт-дисков. Бывают также мини-CD (не путать с мини-дисками), диаметром 8 см, на которые вмещается около 140 Мб данных или 21 минута аудио, и CD, формой напоминающие кредитные карточки (т. н. диски-визитки).

Формат хранения данных на диске, известный как «Красная Книга» («Red Book», не путать с Красной книгой в привычном понимании), был разработан компанией Philips. В соответствии с ним на компакт-диск можно записывать звук в два канала с 16-битной импульсно-кодовой модуляцией (PCM) и частотой дискретизации 44,1 кГц. Благодаря коррекции ошибок с помощью кода Рида-Соломона, небольшие царапины не влияют на читаемость диска. Philips также владеет всеми правами на знак «Compact disk digital audio», который проставляется на дисках.

Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки так называемых питов (углублений), выдавленных на поликарбонатном слое. Каждый пит имеет примерно 125 нм в глубину и 500 нм в ширину. Длина пита варьируется он 850 нм до 3,5 мкм. Расстояние между соседними дорожками спирали — 1,5 мкм. Данные с диска читаются при помощи лазерного луча с длиной волны 780 нм, который просвечивает поликарбонатный слой, отражается от алюминиевого и считывается фотодиодом. Луч лазера образовывает на отражающем слое пятно диаметром примерно 1,5 мкм. Так как диск читается с нижней стороны, каждый пит выглядит для лазера как возвышение. Места, где такие возвышения отсутствуют, называются площадками.

Чтобы вам было легче представить отношение размеров диска и пита: если компакт-диск был бы величиной со стадион, пит был бы размером примерно с песчинку.

Свет от лазера, попадающий на площадку, отражается и улавливается фотодиодом. Если же свет попадает на возвышение, он испытывает интерференцию со светом, отражённым от площадки вокруг возвышения и не отражается. Так происходит потому, что высота каждого возвышения равняется четверти длины волны света лазера, что приводит к разнице в фазах в половину длины волны между светом, отражённым от площадки и светом, отражённым от возвышения.

Компакт-диски бывают штампованные на заводе, для однократной записи (CD-R), для многократной записи (CD-RW). Диски последних двух типов предназначены для записи в домашних условиях на специальных пишущих приводах для компакт-дисков. В некоторых CD-плеерах и музыкальных центрах такие диски могут не читаться (в последнее время все производители бытовых музыкальных центров и CD-плееров включают в свои устройства поддержку чтения записываемых дисков).

Скорость чтения/записи CD указывается кратной 150 KБ/с, т. е. (к примеру) 48-скоростной привод обеспечивает максимальную скорость чтения (или записи) дисков, равную 48 × 150 = 7200 KБ/с (7.03 MБ/с).

Объём хранимых данных

Тип	Длительность	Кол. секторов	Макс. размер CD-DA, байты	Макс. размер CD-DA, МиБ	Макс. размер данных, байты	Макс. размер данных, МиБ
	21 минута	94 500	222 264 000	212.0 МиБ	193 536 000	184.6 МиБ
	63 минуты	283 500	666 792 000	635.9 МиБ	580 608 000	553.7 МиБ
«650MB»	74 минуты	333 000	783 216 000	746.9 МиБ	681 984 000	650.3 МиБ
«700MB»	80 минут	360 000	846 720 000	807.4 МиБ	737 280 000	703.1 МиБ
	90 минут	405 000	952 560 000	908.4 МиБ	829 440 000	791.0 МиБ
	99 минут	445 500	1 047 816 000	999.3 МиБ	912 384 000	870.1 МиБ

DVD (ди-ви-ди́, англ. Digital Versatile Disc или Digital Video Disk) — носитель информации в виде диска, внешне схожий с компакт-диском, однако имеющий возможность хранить бо́льший объём информации за счёт использования лазера с меньшей длиной волны, чем для обычных компакт дисков.

DVD по структуре данных бывают трёх типов:

· DVD-Video — содержат фильмы (видео и звук);

· DVD-Audio — содержат аудиоданные высокого качества (гораздо выше, чем на аудиокомпакт-дисках);

· DVD-Data — содержат любые данные.

DVD как носители бывают четырёх типов:

· DVD-ROM — штампованные на заводе диски;

· DVD+R/RW — диски однократной (R — Recordable) и многократной (RW — ReWritable) записи;

· DVD-R/RW — диски однократной (R — Recordable) и многократной (RW — ReWritable) записи;

· DVD-RAM — диски многократной записи с произвольным доступом (RAM — Random Access Memory).

DVD может иметь одну или две рабочие стороны и один или два рабочих слоя на каждой стороне. От их количества зависит вместимость диска:

· однослойные односторонние (DVD-5) вмещают 4,7 гигабайта информации,

· двухслойные односторонние (DVD-9) вмещают 8,7 гигабайта информации,

· однослойные двусторонние (DVD-10) вмещают 9,4 гигабайта информации,

· двухслойные двусторонние (DVD-17) вмещают 17,4 гигабайта информации.

Вместимость можно определить на глаз — нужно посмотреть, сколько рабочих (отражающих) сторон у диска и обратить внимание на их цвет: двухслойные стороны обычно имеют золотой цвет, а однослойные — серебряный, как компакт-диск.

Любой из носителей может иметь любую структуру данных (см. выше) и любое количество слоёв (двухслойные DVD-R и DVD-RW появились в конце 2004 года.

Стандарт записи DVD-R(W) был разработан DVD-Forum’ом как официальная спецификация (пере)записываемых дисков. Однако цена лицензии на эту технологию была слишком высока, и поэтому несколько производителей пишущих приводов и носителей для записи объединились в «DVD plus RW Alliance», который и разработал стандарт DVD+R(W), стоимость лицензии на который была ниже. Поначалу «болванки» (чистые диски для записи) DVD+R(W) были дороже, чем «болванки» DVD-R(W), но теперь цены сравнялись.

Стандарты записи «+» и «-» частично совместимы. В настоящее время они одинаково популярны — половина производителей поддерживает один стандарт, половина — другой. Идут споры, вытеснит ли один из этих форматов своего конкурента или они продолжат мирно сосуществовать. Все приводы для DVD могут читать оба формата дисков, и большинство пишущих приводов также могут записывать оба типа «болванок».

В отличие от компакт-дисков, в которых структура аудиодиска фундаментально отличается от диска с данными, в DVD всегда используется файловая система UDF.

Скорость чтения/записи DVD указывается кратной 1350 Кб/с, то есть 16-скоростной привод обеспечивает чтение (или запись) дисков в 16 × 1350 = 21600 Кб/с (21,09 Мб/с).

HD-DVD — технология записи на DVD от Toshiba (в содружестве с компаниями NEC и Sanyo). Позволяет записывать цифровую информацию объёмом до 45 гигабайт. Этого достаточно для записи 12 часов видео с высоким разрешением на один носитель. Такой диск состоит из трех слоев толщиной 0,6 мм, каждый из которых позволяет записать 15 ГБ данных.

Перфокарта — носитель информации, предназначенный для использования системами автоматической обработки данных. Сделанная из тонкого картона, перфокарта представляет информацию наличием или отсутствием отверстий в определённых позициях карты. 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.

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 ланных использовался код Бодо. Благодаря простоте устройств ввода/вывода, перфоленты получили распространение в компьютерной технике. Поздние компьютерные перфоленты имели ширину 7 или 8 рядов и использовали для записи кодировку ASCII. Недостатком перфолент, кроме громоздкости, была низкая механическая прочность ленты. Были попытки использовать ленты из пластиков, таких как лавсан, но это требовало специального оборудования для записи.

Флэш-память (или флеш-память) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти.

Флэш-память может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (обычно около 10 000). Причина в том, что для записи в память необходимо сначала стереть участок памяти, а участок может выдержать лишь ограниченное число стираний.

Стирание происходит участками, поэтому нельзя изменить один бит или байт без перезаписи всего участка.

Преимуществом флэш-памяти над обычной является её энергонезависимость — при выключении энергии содержимое памяти сохраняется.

Преимуществом флэш-памяти над жёсткими дисками, CD-ROM-ами, DVD является отсутствие движущихся частей. Поэтому флэш-память более компактна, дешева (с учётом стоимости устройств чтения-записи) и обеспечивает более быстрый доступ.

Недостатком, по сравнению с жёсткими дисками, является относительно малый объём: объём самых больших флэш-карт составляет около 4 Гб. (на сегодняшний день этот недостаток уже в прошлом: компания Apple выпустила флэш-носители емкостью до 60 Гб. 17.01.06)

Благодаря своей компактности, дешевизне и отсутствию потребности в энергии, флэш-память широко используется в портативных устройствах, работающих на батарейках и аккумуляторах — цифровых фотокамерах и видеокамерах, цифровых диктофонах, MP3-плеерах, КПК, а в последнее время и в программируемых калькуляторах. Кроме того, она используется для сохранения (бэкапа) важной информации из компьютера, а также для хранения встроенного программного обеспечения в различных периферийных устройствах (маршрутизаторах, коммуникаторах, принтерах, сканерах и т. д.).

Флэш-память бывает как съёмной, так и несъёмной. Съёмную флэш-память применяют для хранения изображения и звука в аудио- и видеоаппаратуре и для бэкапа, несъёмную — для хранения встроенного программного обеспечения, операционных систем, а в КПК и программируемых калькуляторов — и для хранения других программ и данных. Во многих КПК съёмная флэш-память используется как расширение памяти.

В настоящее время (2005) выпускается два основных типа флэш-памяти: NOR (логика ячеек NOT OR) и NAND (логика ячеек NOT AND). В обоих типах памяти в качестве элементарных ячеек хранения информации используются полевые двухзатворные МОП-транзисторы (транзисторы с плавающим затвором).

Типы съемной флэш-памяти:

По скорости чтения/записи

Так как при потоковой передаче медиаданных больших объемов время считывания/записи и передачи файла существенно сказывается на эргономике устройства, выпускается «разноскоростная» флэш-память. Скорость обычно маркируется в скоростях стандартного CD-привода (150 KБайт/сек.).

По конструктивному исполнению и интерфейсам:

• Compact Flash TypeI (CF I)
• Compact Flash TypeII (CF II)
• Memory Stick
• SecureDigital (SD)
• miniSD
• xD-Picture Card (xD)
• MultiMediaCard (MMC)
• RS-MMC
• SmartMedia Card (SMC)

Blu-ray Disc (BD) — это следующие поколение формата оптических дисков — используемый для хранения видео высокой чёткости (разрешением 1920x1080 точек) и данные повышенной плотности.

Стандарт Blu-ray был совместно разработан группой компаний по производству бытовой электроники и компьютеров, которые вошли в Ассоциацию Blu-ray Дисков. По сравнению со своим основным конкурентом форматом HD DVD, Blu-ray имеет большую информационную емкость на слой — 25 вместо 15 гигабайт, но в тоже время он более дорогой в использовании по поддержке.

Blu-ray (Голубой-луч) получил своей название от коротковолнового 405 нм «синего» (технически сине-фиолетового) лазера который позволит хранить намного больше данных чем на DVD, который имеет те же физические объемы, но использует красный лазер большей длины волны (650 нм).