Магнитные и оптические диски кратко

Обновлено: 06.07.2024

Носители информации

Носитель информации (информационный носитель) – любой материальный объект, используемый человеком для хранения информации. Это может быть, например, камень, дерево, бумага, металл, пластмассы, кремний (и другие виды полупроводников), лента с намагниченным слоем (в бобинах и кассетах), фотоматериал, пластик со специальными свойствами (напр., в оптических дисках) и т. д., и т. п.

Носителем информации может быть любой объект, с которого возможно чтение (считывание) имеющейся на нём информации.

Носители информации применяются для:

записи;
хранения;
чтения;
передачи (распространения) информации.

Зачастую сам носитель информации помещается в защитную оболочку, повышающую его сохранность и, соответственно, надёжность сохранения информации (например, бумажные листы помещают в обложку, микросхему памяти – в пластик (смарт-карта), магнитную ленту – в корпус и т. д.).

К электронным носителям относят носители для однократной или многократной записи (обычно цифровой) электрическим способом:

оптические диски (CD-ROM, DVD-ROM, Blu-ray Disc);
полупроводниковые (флеш-память, дискеты и т. п.);
CD-диски (CD – Compact Disk, компакт диск), на который может быть записано до 700 Мбайт информации;
DVD-диски (DVD – Digital Versatile Disk, цифровой универсальный диск), которые имеют значительно большую информационную ёмкость (4,7 Гбайт), так как оптические дорожки на них имеют меньшую толщину и размещены более плотно;
диски HR DVD и Blu-ray, информационная ёмкость которых в 3–5 раз превосходит информационную ёмкость DVD-дисков за счёт использования синего лазера с длиной волны 405 нанометров.

Электронные носители имеют значительные преимущества перед бумажными (бумажные листы, газеты, журналы):

по объёму (размеру) хранимой информации;
по удельной стоимости хранения;
по экономичности и оперативности предоставления актуальной (предназначенной для недолговременного хранения) информации;
по возможности предоставления информации в виде, удобном потребителю (форматирование, сортировка).

Есть и недостатки:

хрупкость устройств считывания;
вес (масса) (в некоторых случаях);
зависимость от источников электропитания;
необходимость наличия устройства считывания/записи для каждого типа и формата носителя.

Накопитель на жёстких магнитных дисках или НЖМД (англ. hard (magnetic) disk drive, HDD, HMDD), жёсткий диск – запоминающее устройство (устройство хранения информации), основанное на принципе магнитной записи. Является основным накопителем данных в большинстве компьютеров.

Также, в отличие от гибкого диска, носитель информации обычно совмещают с накопителем, приводом и блоком электроники. Такие жёсткие диски часто используются в качестве несъёмного носителя информации.

Оптические (лазерные) диски в настоящее время являются наиболее популярными носителями информации. В них используется оптический принцип записи и считывания информации с помощью лазерного луча.

DVD-диски могут быть двухслойными (емкость 8,5 Гбайт), при этом оба слоя имеют отражающую поверхность, несущую информацию. Кроме того, информационная емкость DVD-дисков может быть еще удвоена (до 17 Гбайт), так как информация может быть записана на двух сторонах.

Накопители оптических дисков делятся на три вида:

без возможности записи - CD-ROM и DVD-ROM (ROM – Read Only Memory, память только для чтения). На дисках CD-ROM и DVD-ROM хранится информация, которая была записана на них в процессе изготовления. Запись на них новой информации невозможна;
с однократной записью и многократным чтением – CD-R и DVD±R (R – recordable, записываемый). На дисках CD-R и DVD±R информация может быть записана, но только один раз;
с возможностью перезаписи – CD-RW и DVD±RW (RW – Rewritable, перезаписываемый). На дисках CD-RW и DVD±RW информация может быть записана и стерта многократно.

Основные характеристики оптических дисководов:

емкость диска (CD – до 700 Мбайт, DVD – до 17 Гбайт)
скорость передачи данных от носителя в оперативную память – измеряется в долях, кратных скорости 150 Кбайт/сек для CD-дисководов;
время доступа – время, нужное для поиска информации на диске, измеряется в миллисекундах (для CD 80–400 мс).

При соблюдении правил хранения (хранение в футлярах в вертикальном положении) и эксплуатации (без нанесения царапин и загрязнений) оптические носители могут сохранять информацию в течение десятков лет.

Флеш-память (flash memory) – относится к полупроводникам электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM). Благодаря техническим решениям, невысокой стоимости, большому объёму, низкому энергопотреблению, высокой скорости работы, компактности и механической прочности, флеш-память встраивают в цифровые портативные устройства и носители информации. Основное достоинство этого устройства в том, что оно энергонезависимое и ему не нужно электричество для хранения данных. Всю хранящуюся информацию во флэш-памяти можно считать бесконечное количество раз, а вот количество полных циклов записи, к сожалению, ограничено.

У флеш-памяти есть как свои преимущества перед другими накопителями (жесткие диски и оптические накопители) , так и свои недостатки, с которыми вы можете познакомиться из таблицы, расположенной ниже.

Носитель в накопителях на гибких магнитных дисках (НГМД) – магнитный диск на полимерной основе в пластиковом корпусе, который принято называть дискетой или флоппи-диском. Для чтения и записи информации на дискету используется дисковод, содержащий магнитную головку и двигатель, который приводит в движение диск и головку.

История и применение

НГМД одно из старейших внешних устройств, которое входило в стандартный набор устройств с началом выпуска ПК в $1981$ г. фирмой IBM, так как первые ПК могли работать даже без жестких дисков, не говоря об оптических накопителях.

Дискеты позволяли хранить небольшие объемы информации, использовались для переноса информации между ПК, часто применялись при сбоях или заражениях вирусом для перезагрузки операционной системы, особенно если это можно было сделать именно с дискеты, а не с жесткого диска. При обращении к НГМД используют имя логического диска $A:$, а при наличии двух дисководов – $B:.$

Недостатками НГМД является их низкая емкость, недостаточное быстродействие и низкая надежность.

В ПК использовалось более $30$ типов НГМД, которые различались диаметром диска, высотой НГМД, плотностью записи данных и другими параметрами.

Применялись дискеты с диаметром:

$5,25"$:

с одинарной плотностью – емкость $180$ Кб, давно не встречаются;
с двойной плотностью – $40$ дорожек на $2$ поверхности дискеты, емкость $360$ Кб, скорость вращения дискет $300$ об/мин, использовались только в очень старых ПК $286$;
с высокой (учетверенная) плотность – $80$ дорожек на $2$ поверхности, емкость $1,2$ Мб, скорость вращения диска $360$ об/мин;

нормальная плотность – емкость $720$ Кб, давно не встречается;
высокая плотность – $80$ дорожек на $2$ поверхностей дискеты, емкость $1,44$ Мб, наиболее часто использовавшиеся в ПК;
высшая плотность – емкость $2,44$ Мб, не стали серийными в виду ненадежности хранения информации.

Дисководы $5,25"$ и дискеты для них уже давно сняты с производства и встречаются только в очень старых ПК. Дисководы $3,5"$ на сегодняшний день уже тоже не перспективны, т.к. их практически полностью вытеснили более емкие, надежные, совершенные устройства обмена информацией между ПК – компакт-диски, DVD-диски и миниатюрные устройства флэш-памяти.

Готовые работы на аналогичную тему

Работа НГМД

После помещения гибкого диска в накопитель включается двигатель, который начинает вращать дискету внутри ее пластмассового кожуха. Головка, которая предназначена для чтения и записи, перемещается по радиусу, прижимаясь к поверхности диска при выполнении операции. Скорость вращения диска составляет $300–360$ об/мин.

НГМД состоит из:

рабочего двигателя, который служит для вращения дискеты, и включается только при вставленной дискете внутрь дисковода;
двух рабочих головок, по одной на каждую поверхность дискеты;
шаговых двигателей для перемещения головок;
управляющей электроники, ответственной за работу механизма.

Для защиты от записи на дискете расположен индикатор, окошко которого должно быть закрыто.

Накопители на гибких оптических дисках

Носителем в накопителях на гибких оптических дисках (НГОД) является оптический (лазерный) диск, в котором используется оптический принцип записи и чтения информации с помощью лазерного луча. В настоящее время популярность данного вида носителей заметно упала.

Принцип работы накопителей на гибких оптических дисках

Информация записывается на лазерный диск на одну спиралевидную дорожку, которая начинается в центре диска и содержит чередующиеся участки впадин и выступов с разной отражающей способностью.

Установленный в дисководе луч лазера, который предназначен для считывания информации с оптических дисков, попадает на поверхность вращающегося диска и отражается. Поверхность оптического диска состоит из участков с различными коэффициентами отражения, вследствие чего отраженный луч также меняет свою интенсивность (логические $0$ или $1$). С помощью фотоэлементов отраженные световые импульсы преобразуются в электрические импульсы.

Для записи информации на оптические диски применяются различные технологии: от простой штамповки до изменения отражающей способности участков поверхности диска при помощи мощного лазера.

Типы оптических дисков

$CD$-диски (Compact Disk, компакт диск) емкостью до $700$ Мб информации;
$DVD$-диски (Digital Versatile Disk, цифровой универсальный диск) со значительно большей емкостью ($4,7$ Гб), т.к. оптические дорожки на них имеют меньшую толщину и размещены более плотно.
$HP \ DVD$ – Toshiba, компания-разработчик дисков, отказалась от дальнейшей поддержки HD-дисков в $2008$ г.
$Blu-Ray \ Disc$ (BD) – однослойный диск может хранить $25$ Гб, двухслойный – $50$ Гб, трехслойный – $100$ Гб, четырехслойный – $128$ Гб. Диск может иметь и больше слоев. В $2008$ г. были продемонстрированы $20$-слойные диски емкостью $500$ Гб. Скорость считывания информации (однократная скорость) составляет $4.5$ Мб/с.

CD и DVD-приводы для записи и чтения информации используют красный и инфракрасный лазеры с длиной волны $650$ нм и $780$ нм. Использование лазера в сине-фиолетовом диапазоне с более короткой длиной $405$ нм позволило кардинально повысить объем записываемой информации на диски HP DVD и Blu-Ray.

Выпускаются диски BD-ROM для чтения, BD-R для однократной записи и BD-RE для многократной записи. Также имеются двухслойные диски, которые в названии содержат символы DL с емкостью до $50$ Гб.

Рисунок 1. Плотность записи на CD и DVD-диски

DVD-диски могут быть двухслойными (емкость $8,5$ Гб), при этом оба слоя имеют отражающую поверхность, несущую информацию. Кроме того, информационная емкость DVD-дисков может быть еще удвоена (до $17$ Гб), так как информация может быть записана на двух сторонах.

Магнитный диск и Оптический диск - это устройства хранения, обеспечивающие возможность хранения данных в течение длительного времени. Эти диски отличаются по многим характеристикам; Во-первых, магнитный диск работает с использованием намагничивающего материала поверх диска, тогда как в оптическом диске в его конструкции используется поликарбонатный пластик, а лазер используется для хранения и извлечения данных.

Магнитный и оптический диск относится к категории вторичных запоминающих устройств. Потребность в разработке этих устройств возникла потому, что предыдущие полупроводниковые запоминающие устройства имели очень ограниченные возможности, например, стоимость хранения информации в таких устройствах очень высока.

Сравнительная таблица

Основа для сравнения	Магнитный диск	Оптический диск
Тип носителя	Muiltiple фиксированный диск	Один съемный диск
Сигналы ошибки положения	Промежуточное отношение сигнал / шум	Отличное соотношение сигнал / шум
Частота дискретизации	Низкий	Высоко
Реализация	Используется в основном там, где данные доступны случайным образом.	Используется в потоковых файлах.
Дорожки	круговое	Спираль или круговая
использование	Только один диск может быть использован одновременно	Массовое тиражирование возможно
Время доступа	Короче сравнительно	дольше

Определение магнитного диска

Магнитный диск изготовлен из набора круглых пластин. Эти пластины изначально изготовлены из немагнитного материала, то есть из алюминия или алюминиевого сплава, называемого подложкой, затем подложка покрыта магнитной пленкой и установлена на общем шпинделе. Диски размещены внутри вращающегося привода, где намагниченная поверхность вращается близко к головкам чтения и записи. Каждая головка состоит из намагничивающей катушки и магнитного ярма . Он хранит цифровую информацию о концентрических дорожках путем подачи импульса тока соответствующей полярности на магнитную катушку.

Количество битов, хранящихся на каждой дорожке, не изменяется при использовании простейшей постоянной угловой скорости . Многократная зонная запись используется для увеличения плотности, при которой поверхность разбивается на несколько зон, а зоны, расположенные рядом с центром, содержат меньше битов, чем зоны, удаленные от центра. Однако эта стратегия не является оптимальной.

В операции чтения обнаруживается изменение в магнитном поле. Итак, два противоположных состояния намагничивания представляют собой 0 и 1; он генерирует напряжение в головке, когда в потоке битов происходит переход 0-1 и 1-0.

Определение оптического диска

Оптический диск - это запоминающее устройство, в котором используется оптическая (световая) энергия. На начальных этапах дизайнеры создали компакт-диск в середине 1980-х годов, который использует цифровое представление для аналоговых звуковых сигналов. Компакт-диск был в состоянии обеспечить отличное качество записи звука, беря 16-битные сэмплы аналоговых сигналов со скоростью 44 100 сэмплов в секунду, а также он может задерживать до 75 минут, когда общее количество хранимых битов составляет приблизительно 3 x 109 ( 3 гигабита). Эти оптические диски используют оптическую технологию, в которой лазерный свет центрируется на вращающихся дисках.

Конструкция оптического диска

Оптический диск изготовлен из поликарбоната, подобного смоле, и поверхность этого поликарбоната содержит цифровую информацию, отпечатанную на нем в виде последовательности микроскопических ямок . Микроскопическая поверхность без косточек затем остекляется сильно отражающей поверхностью, такой как алюминий или золото. Чтобы сделать диск устойчивым к царапинам, он покрыт акриловой и шелкографической этикеткой . Наконец, концентрированный высокоинтенсивный лазер используется для создания мастер-диска.

Извлечение информации с компакт-диска осуществляется с помощью установки лазера малой мощности в проигрыватель оптических дисков. Лазер излучается через прозрачный поликарбонат, когда диск вращается двигателем. Когда лазер падает на яму (обычно с шероховатой поверхностью), величина отраженного лазерного излучения изменяется. Свободная гладкая область между ямами известна как земля, от которой свет отражается назад с большей величиной.

Основные различия между магнитным диском и оптическим диском

Магнитный диск является фиксированным запоминающим устройством, тогда как оптический диск является переносным запоминающим носителем, который является съемным.
Оптический диск генерирует лучшее отношение сигнал / шум по сравнению с магнитным диском.
Частота дискретизации, используемая в магнитном диске, ниже, чем в оптическом диске.
На оптическом диске данные последовательно доступны. Напротив, данные в магнитном диске доступны случайным образом.
Дорожки на магнитном диске, как правило, круглые, в то время как на оптическом диске дорожки построены по спирали.
Оптический диск позволяет массовое тиражирование. Напротив, в магнитном диске только один диск доступен одновременно.
Время доступа к магнитному диску меньше, чем к оптическому диску.

Заключение

Магнитный диск работает по электромагнитной технологии, в то время как оптический диск функционирует с использованием оптических средств (лазерное излучение). Хотя скорость магнитного диска выше, чем у оптического диска.

Технологии хранения данных активно совершенствуются со времен появления первых компьютеров. Еще вчера мы пользовались 1,44-мегабайтными дискетами, а сегодня в продаже можно найти 256-гигабатные флеш-накопители. А ведь это далеко не предел. Пока инженеры трудятся над созданием новых, более прогрессивных носителей информации, мы вспоминаем, как повлияли на компьютерную индустрию перфокарты, магнитные ленты и форматы CD и DVD.

С древнейших времен люди искали способы записи и хранения различной информации. Сначала они рисовали на скалах и глине. Затем появился пергамент, а позже — бумага. В XX веке с появлением первых компьютеров хранить информацию стало легче, но эволюция носителей информации лишь ускорилась. Казалось бы, еще вчера мы записывали нужные нам файлы на дискеты. А сегодня мы уже пользуемся 256-гигабайтными флешками! В общем, развитие технологий хранения информации не стоит на месте. Поэтому в этот раз мы вспоминаем, с чего же началась история компьютерных носителей информации, и расскажем о том, каких результатов добилась индустрия к концу XX века.

В таком виде сохраняли информацию в былые времена

Станок Жаккара. Перфокарты

История носителей информации берет свое начало в начале XIX века. Причем в роли прародителя запоминающих устройств выступает — кто бы мог подумать! — ткацкий станок. Автором первого изобретения в области хранения данных стал французский изобретатель Жозеф Мари Жаккар. Долгое время он работал со станками в качестве подмастерья, ткача и наладчика, поэтому богатый опыт значительно помог ему в дальнейшей изобретательской деятельности. Итак, в чем же заключалась инновационная идея Жаккара? Несмотря на то, что производство ткани в то время являлось довольно сложным процессом, по своей сути оно представляло собой постоянное повторение одних и тех же действий. Жаккар пришел к выводу, что этот процесс можно автоматизировать.

Жозеф Мари Жаккар — создатель ткацкого станка, использующего перфокарты

Французский изобретатель придумал такую систему, которая использовала в своей работе специальные твердые пластины с отверстиями. Они и являлись первыми в мире перфокартами. Прежде подобные пластины использовались в станках Вокансона и Бушона, однако эти устройства были слишком дороги в производстве и по этой причине так и не прижились. В своей же разработке Жаккар учел все недостатки этих аппаратов. В пластинах было увеличено количество рядов отверстий, что обеспечило обработку большего числа нитей, а, следовательно, и повышение производительности станка. Кроме этого, был значительно упрощен процесс подачи пластин в считывающее устройство — набор щупов, связанных со стержнями нитей. При проходе пластины щупы проваливались в отверстия, поднимая вверх соответствующие нити и образуя основные перекрытия в ткани. Таким образом, определенная комбинация отверстий на пластине позволяла создать ткань с нужным узором.

Ткацкий станок Жаккара

Первый автоматизированный станок Жаккар создал в 1801 году и на протяжении еще нескольких лет дорабатывал его. За свои достижения изобретатель получил пенсию в 3000 франков и одобрение Наполеона. Однако ни сам Жаккар, ни французский император не имели ни малейшего понятия, насколько важным станет это изобретение в будущем.

В 30-х годах XIX века на разработанные Жаккаром перфокарты обратил внимание английский математик Чарльз Бэббидж. В то время ученый ум трудился над созданием аналитической машины и решил использовать в ее конструкции перфокарты. Для этого англичанин даже совершил путешествие во Францию с целью подробно изучить станки Жаккара. Увы, но из-за низкого уровня технологий и недостатка финансовых средств аналитическая машина Бэббиджа так и не увидела свет. Тем не менее, ее конструкция стала впоследствии прообразом современных компьютеров.

Кроме этого, перфокарты использовались в табуляторе, разработанном в 1890 году Германом Холлеритом. Табулятор являлся механизмом для обработки статистических данных и использовался на благо Бюро переписи населения США. Кстати, созданная Холлеритом компания Tabulating Machine Company в конечном итоге была переименована в International Business Machines (IBM). На протяжении нескольких десятков лет IBM развивала и продвигала технологию перфокарт. В середине XX века они использовались повсеместно, получив особенно широкое распространение в компьютерной технике и различных станках. Закат эпохи перфокарт пришелся на 1980-е годы, когда на смену им пришли более совершенные магнитные носители информации. Интересно, что отдел исследования перфокарт компании IBM существовал вплоть до 2000-х годов. Например, в 2002 году в IBM изучали создание перфокарты размером с почтовую марку, которая могла бы содержать до 25 миллионов страниц информации.

Магнитные диски

Магнитная лента использовалась в компьютере UNIVAC-I

Впервые магнитная лента была применена в коммерческом компьютере UNIVAC-I, выпущенном в 1951 году. Кстати, его первый экземпляр попал в то же самое Бюро переписи населения США. Магнитная пленка, используемая в UNIVAC-I, была намного более емкой, нежели перфокарты. Ее объем равнялся емкости десяти тысяч перфокарт, то есть он составлял примерно 1 Мбайт.

Развитие технологии магнитных лент продолжалось до 1980-х годов. В течение этого времени подобные накопители использовались в основном в мейнфреймах и мини-компьютерах. Ну а с 80-х годов магнитная лента использовалась лишь для резервного хранения данных. Этому способствовало то, что ленточные картриджи оставались надежным и очень дешевым носителем информации. Но даже несмотря на эти преимущества, к концу 2000-х годов специалисты предрекали конец эпохи магнитных лент — цены на жесткие диски продолжали падать. Вдобавок они предлагали высокую плотность записи. Начиная с 2008 года, рынок ленточных накопителей уменьшался примерно на 14% в год, и даже ярые сторонники технологии признавали, что у нее нет шансов на выживание. Однако ситуация резко изменилась в 2011 году. В Таиланде произошло наводнение, продолжавшееся, по официальным данным, 175 дней. В результате наводнения было затоплено несколько индустриальных зон, где были расположены заводы по производству жестких дисков таких компаний, как Seagate, Western Digital и Toshiba. Как итог, цены на продукцию возросли на 60%, а объемы производства упали. Так магнитная лента получила вторую жизнь.

Магнитная лента IBM

Стоит отметить, что ленточные накопители, как правило, используются в тех сферах, где необходимо хранить очень большое количество информации. Например, в каких-либо крупных исследованиях. Так, магнитную ленту используют для записи результатов исследований на Большом адронном коллайдере. О преимуществах технологии в свое время рассказывал Альберто Пейс (Alberto Pace) — глава подразделения обработки и хранения данных CERN. Он отметил, что магнитная лента имеет четыре основных преимущества над жесткими дисками. Прежде всего, это скорость. Несмотря на то, что специализированному роботу требуется до 40 секунд, чтобы выбрать нужную кассету и вставить ее в считыватель, чтение данных из ленты происходит в четыре раза быстрее, чем с жесткого диска. Еще одним преимуществом магнитной ленты, по словам Пейса, является ее надежность. Если она рвётся, то ее можно легко склеить. В этом случае теряется лишь несколько сотен мегабайт данных. Когда выходит из строя жесткий диск, теряются абсолютно все данные. Глава подразделения CERN привел некоторые статистические данные, касающиеся надежности устройств. Так, в среднем за год в CERN из 100 петабайт данных, хранящихся на магнитных лентах, теряется лишь несколько сотен мегабайт. На жестких дисках располагается около 50 петабайт информации, и каждый год организация теряет до нескольких сотен терабайт в результате неисправностей HDD. Третьим преимуществом магнитной ленты является ее энергоэффективность, а точнее, экономичность. Сами ленты хранятся в неактивном состоянии, следовательно, они не потребляют энергию. Наконец, четвертое — это безопасность. Если злоумышленники получат доступ к жестким дискам, то они смогут уничтожить всю информацию за считанные минуты. В случае с магнитными лентами на это может уйти не один год.

Хранилище магнитных лент в CERN

Еще на два преимущества ленточных накопителей указал Эвангелос Элефтеро — руководитель отдела технологий хранения данных исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе. Он отметил, что магнитные ленты все еще дешевле, чем жесткие диски. 1 Гбайт HDD стоит примерно 10 центов, тогда как стоимость аналогичной емкости магнитной ленты оценивается в 4 цента. Также Элефтеро обратил внимание на долговечность лент. Такой накопитель будет служить верой и правдой даже через 30 лет, в то время как рабочий цикл жесткого диска составляет всего 5 лет.

Тем не менее, стоит понимать, что магнитные ленты уже никогда не будут использоваться как единственная система хранения данных. Они занимают важное место в иерархической структуре хранения информации, но не являются (и не будут) ее основным звеном.

Дискеты

По своей конструкции дискета представляла собой диск из полимерных материалов, на который наносилось магнитное покрытие. Пластиковый кожух имел несколько отверстий. Центральное предназначалось для шпинделя дисковода, малое отверстие являлось индексным, то есть позволяло определить начало сектора. Наконец, через прямоугольное отверстие с закругленными углами магнитные головки дисковода работали непосредственно с диском.

Читайте также: