Opisz krótko poszczególne nośniki w ujęciu historycznym, które nośniki są używane obecnie?
karta perforowana - maszynowy nośnik danych przeznaczony do automatycznego wprowadzania do komputera. K.p. sporządzona jest z wysokogatunkowego kartonu o ściśle znormalizowanych wymiarach i odpowiednich właściwościach mechanicznych i elektrycznych. Sieć współrzędnych dzieli powierzchnię k.p. na kolumny i wiersze. Pojemność znakowa k.p. zależy od liczby kolumn (21-160). Najbardziej rozpowszechnione są k.p. o pojemności 80 i 90 kolumn. Zapis na k.p. dokonywany jest przez wydziurkowanie odpowiedniej dziurki (lub dziurek) prostokątnej lub okrągłej na przecięciu osi kolumny przeznaczonej na wniesienie zapisu z osią wiersza (wierszy) według zasad określonych kodem dziurkowania. W celu zapewnienia właściwego ułożenia k.p. mają ścięte lewe górne naroże. Wygląd karty perforowanej. Źródło [1].
taśma perforowana - taśma wykonana z papieru, tworzywa sztucznego lub innego materiału i przeznaczona do zapisywania na niej informacji w postaci kombinacji dziurek. T.p. ma przeważnie długość ok. 300 m i szerokość od 17,5 mm do 25,4 mm, co zależy od liczby ścieżek informacyjnych, których może być od 5 do 8. T.p. otrzymuje się na dziurkarkach taśm lub uzyskuje się w wyniku pracy innych urządzeń (np. maszyn do pisania). T.p służy jako maszynowy nośnik danych w pracy komputera oraz stosowana jest do sterowania pracą maszyn i urządzeń. Źródło [1].
pamięć bębnowa - pamięć magnetyczna o dostępie bezpośrednim, w której do zapamiętywania danych służy warstwa magnetyczna naniesiona na bęben wykonany z lekkiego materiału niemagnetycznego. Zapisanie lub odczytanie danych w p.m. odbywa się za pomocą głowic zapisująco-odczytujących, usytuowanych w bardzo małej odległości od powierzchni wirującego ze stałą prędkością bębna. Dane zapisywane są na ścieżkach, których usytuowanie wyznaczają umieszczone nad powierzchnią bębna głowice magnetyczne. Pojemność p.b. osiąga liczbę ok. 70 Mbitów, a średni czas dostępu jest rzędu 6-20 ms. Źródło [1].
pamięć taśmowa - pamięć magnetyczna o dostępie sekwencyjnym, w którym do zapamiętywania danych służy (jako element wymienny) taśma magnetyczna. Ze względu na możliwość wymiany taśm magnetycznych pojemność p.t. jest w zasadzie nieograniczona; sekwencyjny dostęp do danych powoduje, że w porównaniu z innymi rodzajami pamięci magnetycznych czas dostępu jest stosunkowo duży. Źródło [1].
Pierwsze dyski do komputerów osobistych były urządzeniami umieszczanymi w oddzielnych obudowach, zawierających oprócz dysku kartę sterownika i zasilacz. Jednym z pierwszych modeli był Segate ST-506 o pojemności 5 MB. Ładowanie systemu odbywało się z dyskietki. W roku 1983 powstał IBM XT z wbudowanym twardym dyskiem o pojemności 10 MB.
Magnetyczny dysk twardy zawiera umieszczone na wspólnej osi krążki aluminiowe, ceramiczne lub szklane pokryte warstwą magnetyczną. Informacje są zapisywane na koncentrycznych ścieżkach. Identycznie położone ścieżki ze wszystkich powierzchni tworzą cylinder. W obecnych konstrukcjach tarcze pokrywa się cienką warstwą czystego metalu metodą galwaniczną lub metodą rozpylania katodowego. Powierzchnia takiego dysku jest chromowa, błyszcząca. Tarcze są napędzane przez silnik wrzecionowy. Sygnały sterujące są generowane przez informacje zapisane na powierzchni dysku podczas produkcji. Kolejność zapisywania sektorów nie zawsze jest identyczna z kolejnością fizyczną sektorów na ścieżce. Do odczytu i zapisu używa się cienkowarstwowe głowice indukcyjne lub głowice magnetorezystywne. Technologie cienkowarstwowych głowic indukcyjnych (TFI) opracowano w 1978 roku w firmie IBM. Głowice magnetorezystywne zastosowano poraz pierwszy w roku 1991 w firmie IBM. Ich głównymi zaletami w stosunku do głowic TFI jest możliwość zwiększenia gęstości zapisu i mniejszy koszt produkcji.
Zasadniczą częścią twardego dysku jest sztywny krążek (zwany też talerzem). Krążki wirują ze stałą prędkością rzędu 3600-7200 obrotów na minutę. Nad każdą z powierzchni talerzy unosi się umieszczona na końcu delikatnego ramienia głowica zapisująco-odczytująca. Uderzeniu głowicy o powierzchnię nośnika zapobiega poduszka powietrzna, wytworzona dzięki wirowaniu talerza. Odległość głowicy od nośnika jest nie tylko o wiele mniejsza od średnicy ludzkiego włosa, przez tą wąską szczelinkę (ok. 2 milonowych części cala) nie przechodzi nawet światło. Aby umożliwić dostęp do poszczególnych ścieżek, zawieszone obrotowe ramię wychyla się na podobieństwo wskazówki miernika, poruszane polem cewki magnetycznej. Każda ze ścieżek podzielona jest na sektory. Ponieważ wraz ze wzrostem odległości od osi obrotu długość ścieżek jest coraz większa, można na nich upakować coraz więcej informacji w coraz większej liczbie sektorów. Z tego też powodu dysk podzielony jest na strefy o rosnącej liczbie sektorów na ścieżkę. Dane przesyłane są z dysku twardego do procesora komputera przez odpowiedni interfejs. Źródło [2].
Dysk elastyczny jest jednym z prostszych i tańszych nośników danych. Pierwszy dysk elastyczny o średnicy 8'' i pojemności 1 MB został wprowadzony na rynek w 1971 roku przez firmę IBM. Największe zastosowanie znalazły dyski o średnicach 5,25'' i 3,5''. DYSKIETKI Wewnątrz koperty ochronnej znajduje się krążek wykonany z giętkiego tworzywa sztucznego, pokryty obustronnie warstwą materiału magnetycznego. W kopercie nośnika o wielkości 5,25'' wycięte są cztery otwory: centralny służy do napędzania dysku, mały, umieszczony obok, określa początek zapisu, przez podłużny otwór odczytuje się dane, a wycięcie umieszczone na skraju, gdy jest zasłonięte, włącza blokadę zapisu. Dyskietka 3,5'' posiada sztywną kopertę z tworzywa sztucznego. Okienko dostępu głowicy jest zasłonięte ruchomą metalową przesłoną, która podczas wkładania dyskietki do napędu, automatycznie przesuwa się odsłaniając dostęp głowicy do powierzchni magnetycznej. Stopniowo tradycyjne dyski elastyczne są wypierane przez szybsze i bardziej pojemne nośniki. Źródło [2].
CD-ROM (compact disc - read only memory)
W roku 1987 dwa wielkie przedsiębiorstwa - Philips i Sony - połączyły swoje siły w celu stworzenia nowego produktu - kompaktowego dysku audio (CD). Firmy opracowały standard, na który składała się specyfikacja nagrania , próbkowania, a przede wszystkim obowiązujący do dziś rozmiar nowych dysków : 4 3/4 cala. Jak głosi plotka rozmiar ten wybrano dlatego ,że właśnie na takim dysku można było zmieścić Dziewiątą Symfonię Beethovena. Dysk mający średnicę 12 cm (4 3/4 cala) , nieco ponad milimetr grubości i waży około 14 g(1/2 uncji). Fizycznie dysk składa się z uformowanego metodą wtryskową krążka z czystego poliwęglanu, bardzo cienkiej warstwy metalu , zwykle aluminium i ochronnej powłoki lakierowej lub plastikowego krążka zabezpieczającego znajdujące się pod nim dane. Warstwa metaliczna jest tą warstwą z której napęd CD-ROM odczytuje informacje. Dysk CD-ROM może przechowywać do 680 MB danych (co odpowiada pojemności 1500 dyskietek) - tekstu, obrazu, grafiki, dźwięku i animacji.
Napęd dysków CD-ROM zawiera mechanizm laserowy , moduły elektroniczne służące do sterowania, do korekcji błędów i do komunikacji z komputerem, zazwyczaj również gniazdo słuchawkowe z regulatorem głośności, a poza tym przycisk wysuwający dysk oraz - jeśli napęd nie jest wbudowany do komputera - zasilacz sieciowy i ewentualnie wentylator chłodzący. We wnętrzu napędu CD-ROM mieszczą się: głowica optyczna, tarcza obracająca dysk i system przetwarzania (procesor) sygnałów. Głowica optyczna wysyłająca promień światła laserowego w kierunku dysku, zamocowana jest na sankach lub na przechylnym ramieniu; składa się ona z diody laserowej, soczewki i czujnika optycznego. Aby dokładnie wychwycić minimalne różnice w strukturze ścieżki, wykorzystywany do odczytu laser diodowy musi emitować strumień o wyjątkowo małej długości fali. Wystarczające jest promieniowanie podczerwone. Taki promień świetlny jest wprawdzie niewidoczny dla oka, ale szkodliwy. Z tego też względu nie należy nigdy otwierać odtwarzacza CD podczas odczytywania kompaktów. Napęd CD-ROM pracuje w następujący sposób: Laserowa dioda emituje w kierunku lustra wiązkę światła o małej mocy. Na komendę mikroprocesora siłownik odpowiednio przesuwając lustro ustawia wiązkę lasera na odpowiedniej ścieżce. Odbite od powierzchni dysku światło skupia się w pierwszej soczewce znajdującej się pod dyskiem, odbija się od lustra i kieruje się w stronę pryzmatu. Pryzmat kieruje powracającą wiązkę lasera do kolejnej soczewki skupiającej. Ostatnia z soczewek kieruje promień lasera do fotodetektora , który przekształca światło w impulsy elektryczne. Nadchodzące impulsy elektryczne są rozkodowywane przez mikroprocesor i wysyłane w charakterze danych do komputera.
Napęd CD-ROM obraca dysk ze zmienną prędkością, zależną od położenia głowicy optycznej, co pozwala na odczytanie danych ze stałą prędkością (ok. 1,3 metra ścieżki na sekundę), niezależnie od ich położenia na dysku. Metodę tę oznacza się krótko jako CLV (ang. Constant Linear Velocity) - stała prędkość liniowa. Dysk obraca się ze zmienną prędkością w zależności od położenia lasera względem środka dysku, aby uzyskać jednakową szybkość odczytywania danych z całego dysku. Jednak im bliżej środka, tym większa szybkość kątowa jest potrzebna, by dane były przesyłane ze stałą wartością. Inna metoda to CAV ( Constant Angular Velocity ) - stała prędkość obrotowa. Nie pociąga ze sobą konieczności zmiany prędkości obrotowej więc ma zasadniczą wadę - dane ze środka płyty czytane są dużo wolniej niż na jej zewnętrznych brzegach. Bliżej zewnętrznej krawędzi dysku laser obejmuje podczas jednego obrotu większą ilość danych, niż bliżej środka, co oznaczałoby zmienną ilość danych odczytywanych podczas jednego obrotu. Metoda ta nie obciąża silnika napędu, oznacza jednak, że wraz ze zmianą położenia lasera zmienia się szybkość transferu danych. Obecnie stosowana technika to PCAV (Partial CAV) - częściowo stała prędkość kątowa stanowiąca połączenie dwóch poprzednich technik. Polega ona na tym, że do pewnego miejsca na dysku (zazwyczaj do około pierwszych 40% dysku) użyta jest stała prędkość kątowa CAV, czyli transfer stopniowo wzrasta od wartości początkowej np. 8x do wartości pośredniej np.16x. Wówczas napęd przestawia się na stałą prędkość liniową CLV i do końca dysku zachowuje stały transfer np.20x.
Informacja o lokalizacji plików jest zapisana w tablicy ścieżek (ang. path table) oraz w tablicy katalogów (ang. directory table), znajdujących się w części opisowej na początku dysku. Obie tablice tworzone są podczas produkcji dysku i nie można zmieniać ich zawartości. Źródło [2].
CD-R (Compact Disc Record Able ) płyta kompaktowa zapisywalna WORM (Write Once Read Many) Dysk CD-R zamiast warstwy aluminium zawiera warstwę zielonkawoniebieskiego barwnika cyjanowego lub bardziej trwałego barwnika ftalocyjanowego, zmieniającego właściwości optyczne pod wpływem silnej wiązki lasera ( moc wiązki zapisującej jest około 10 razy większa niż moc wiązki odczytującej). Barwnik ten ma te same właściwości odbijania światła co niezapisany dysk CD. Kiedy laser zapisujący dane zaczyna wypalać dane na dysku, jego wiązka rozgrzewa warstwę złota, oraz leżącą pod nią warstwę barwnika. Po wypaleniu, obszar taki rozprasza światło w ten sam sposób jak wgłębienie w szklanej powłoce matrycy dysku lub masowo produkowanego dysku CD-ROM. W praktyce więc, w miejscu, w którym zapisano dane nie istnieje żadne wgłębienie - jedynie rozpraszająca światło plamka będąca wynikiem reakcji chemicznej powstałej podczas wypalania warstw złota i barwnika. Źródło [2].
DVD powstał w roku 1994 w koncernie Philips-Sony i Toshiba. Ogromną pojemność płyt DVD uzyskano dzięki temu, że ścieżki są ułożone z niemal dwukrotnie większą gęstością niż na dysku CD. Dodatkowo dwukrotne zmniejszenie powierzchni zajmowanej przez jednostkę informacji sprawia, że objętość nowego nośnika wzrasta siedmiokrotnie. W napędzie DVD najważniejszy jest laser. Używa on światła o krótszej fali niż standardowy napęd CD-ROM, może czytać mniejsze pakiety danych ze spiralnej ścieżki, której zwoje znajdują się bliżej siebie niż na płycie kompaktowej. Nośnik jest połowę cieńszy niż w standardowej płycie, dzięki czemu można było złączyć dwie jego warstwy, tworząc dwustronny, dwuwarstwowy dysk tej samej grubości co płyta CD, zdolny jest on pomieścić 17 GB (27 razy więcej niż CD). Stosuje się technikę dwuwarstwową, a górna warstwa jest wykonana z półprzepuszczalnego materiału - złota powłoka na lustrzanej warstwie srebrnego koloru. Jeśli mają być odczytywane dane z dolnej warstwy, zmieniana jest długość fali. Promień o mniejszej mocy odczytuje warstwę złotą, większej mocy srebrną. Aby przełączanie między warstwami było płynne i bez zakłóceń, pierwsza warstwa odczytywana jest od środka na zewnątrz dysku, a druga w kierunku przeciwnym. Dzięki temu w momencie przełączania pomiędzy warstwami nie zachodzi potrzeba szybkiej zmiany położenia lasera, ani prędkości obrotowej dysku. Ponadto dla zachowania płynności odczytu wprowadzono pamięć buforowaną. Źródło [2].
Podziel nośniki wg kryterium dostępu do danych (bezpośredni, sekwencyjny), napisz krótko czym się różnią
dostęp - w koputerach sposób zwrócenia się do dowolnej komórki lub obszaru pamięci w celu zapamiętania lub odczytania danych lub zapisu. Źródło [1].
dostęp sekwencyjny - sposób zwrócenia się do określonej komórki lub obszaru pamięci, przy którym dla zapisania lub odczytania danych nie jest konieczne uprzednie odczytanie danych w obszarze pamięci poprzedzającym określoną komórkę lub obszar pamięci. Źródło [1].
dostęp bezpośredni - sposób zwrócenia się do określonej komórki lub obszaru pamięci, przy którym do zapisania lub odczytania danych konieczne jest odczytanie wszystkich danych z obszaru pamięci poprzedzającego określoną komórkę lub obszar pamięci. D.s. jest w zasadzie jedynym sposobem dostępu do zbiorów taśmowych. Źródło [1].
Podziel nośniki wg sposobu zapisu i odczytu danych (mechaniczny, magnetyczny, optyczny), napisz krótko czym się różnią
Dziurkowanie kart perforowanych wykonywane jest ręcznie lub w sposób automatyczny np. w postaci wyników obliczeń z komputera. Źródło [1].
Elektrony mają spin, czyli właściwość, która sprawia, że wykazują niewielkie pole magnetyczne. Spin może mieć jeden z dwóch kierunków. W większości atomów i molekuł elektrony występują w parach i mają przeciwne spiny ich pola magnetyczne niwelują się. Jeżeli atom lub molekuła ma niesparowane elektrony, to pole magnetyczne nie jest zerowe. Aby materiał wykazywał właściwości magnetyczne, spiny niesparowanych elektronów muszą być identyczne momenty magnetyczne sumują się. Wszystkie typy pamięci magnetycznej działają na podobnej zasadzie. Na poruszającej się warstwie magnetycznej są zapisywane informacje. Zapis polega na odpowiednim przemagnesowaniu pól magnetycznej warstwy nośnika informacji. Do zapisu i odczytu danych służą głowice. Głowica jest zbudowana z cewki oraz rdzenia, w którym między biegunami magnetycznymi znajduje się niewielka szczelina. Namagnesowany podczas zapisu odcinek nośnika zachowuje się jak zwykły magnes wytwarza własne pole magnetyczne. Jeżeli w trakcie magnesowania nastąpi zmiana kierunku prądu płynącego w głowicy, to nastąpi zmiana stanu namagnesowania nośnika. Odczyt informacji polega na przemieszczaniu namagnesowanych odcinków nośnika pod szczeliną głowicy.
Istnieje wiele metod kodowania informacji na nośnikach magnetycznych np.:
Metoda powrotu do zera: Prąd w głowicy zmienia kierunek na dodatni przy zapisie logicznej 1, a na ujemny przy zapisie logicznego 0. Podczas odczytu dla każdego namagnesowanego obszaru (bitu informacji) jest indukowana para impulsów, które umożliwiają określenie wartości bitów. Impuls dodatni z następującym po nim impulsem ujemnym jest interpretowany jako 1, impuls ujemny z następującym po nim impulsem dodatnim jest interpretowany jako 0.
Metoda powrotu do polaryzacji: Na nośniku nie zapisuje się zerowych bitów informacji i stosuje się dodatnią polaryzację nośnika dla bitów o wartości 1. Podczas zapisu bity 0 nie wymazują poprzedniej informacji, w związku z czym konieczne jest stosowanie głowicy kasującej przed głowicą zapisu.
Metoda bez powrotu do zera: Przez uzwojenie głowicy zawsze płynie prąd. Zmiana kierunku przepływu prądu następuje w chwili zmiany wartości kolejnych bitów informacji. Dodatnia polaryzacja magnesów nośnika odpowiada bitom o wartości 1, a polaryzacja ujemna bitom o wartości 0. Stosuje się tą metodę tylko w pamięciach taśmowych. Źródło [2].
Dane przechowywane są w formie mikroskopijnych rowków (ang. pits) i miejsc płaskich - brak rowka (ang. lands). Rowki mają zawsze tę samą głębokość i szerokość choć ich długość i długości przerw rozdzielających je mogą się zmienić. Pit ma około 1 mikrona szerokości - rozmiar 500 atomów wodoru ułożonych jeden obok drugiego - zaś pojedynczy dysk CD-ROM zawiera w przybliżeniu 2.8 miliarda pits. Spiralna ścieżka okrąża dysk 20000 razy. Odczytywanie informacji umieszczonych na CD odbywa się dzięki odbijaniu się światła lasera o niskiej mocy od aluminiowej powierzchni. Czujnik optyczny zauważa, w których miejscach światło odbija się, a w których jest pochłaniane lub rozpraszane. Pochłanianie lub rozpraszanie światła powodują wytłoczone na powierzchni dysku rowki. Jeśli światło zostało odbite oznacza to, że rowka nie ma, czyli powierzchnia dysku jest w danym miejscu gładka . Czujnik światła zbiera informacje o odbitym lub rozproszonym świetle i przekazuje je mikroprocesorowi, który zamienia je na dane potrzebne użytkownikowi. Ścieżki CD nie są ułożone koncentrycznie lecz tworzą długą spiralę wiodącą od osi centralnej dysku do zewnętrznej krawędzi. Ma ona długość blisko 3 mil (ok.5 km). Spirala jest podzielona na sektory o jednakowej wielkości i gęstości zapisu. Pliki nie są dzielone na fragmenty, lecz zajmują kolejne sektory jednej i tej samej ścieżki.Płyta kompaktowa odbija pełne spektrum światłą czyli tęczę, jest to spowodowane rozszczczepieniem światła z powodu tysięcy przecinających ją ścieżek. Rozpraszają one promienie światła niczym pryzmat, rozdzielając światło białe na fale o różnych długościach. Płyta kompaktowa zawiera do 16000 ścieżek na cal. Źródło [2].
W jakim kierunku będzie podążać rozwój technogii zapisu danych?
Przyszłością nośników wydają się pamięci holograficzne.
Z badań nad hologramami wynikają same korzyści. Przede wszystkim hologramy oznaczają ogromne ilości pamięci. W odpowiednim materiale optycznym - na ogół stosuje się kryształy - lasery zapisują elektroniczne wzorce jako strony. Na każdej stronie znajduje się miejsce dla milionów bitów, a na nośniku wielkości małej monety mieszczą się tysiące takich stron. Łącznie na niewielkim obszarze przechowuje się tryliony bitów, co odpowiada terabajtom pamięci. Nie mniej interesujące są możliwości dostępu do tak składowanych informacji. Wszystkie dane zawarte na jednej stronie są udostępniane równocześnie. Możliwe jest zapisywanie i odczytywanie ich w tym samym czasie. Ponieważ każdy zapisany bit jest rozłożony w większej objętości kryształu, hologramy są o wiele bardziej odporne na defekty niż poprzednie nośniki. Teoria jest prosta: do zapisu danych na nośniku, są potrzebne 2 koherentne promienie laserowe, przenoszące światło o określonej długości fali. Jeden z nich promień podstawowy (object beam) jest prowadzony przez przestrzenny modulator światła - na przykład kryształ LCD. Światło podlega tu modulacji zgodnie z informacją, którą ma przenieść, a na końcu trafia na światłoczuły nośnik. W tym miejscu promień podstawowy nakłada się na promień odniesienia (reference beam) .Wynik interferencji obu promieni jest zapamiętywany w nośniku w postaci przestrzennej modulacji współczynnika załamania. To jest hologram. Gdy promień odniesienia oświetli następnie nośnik - rozproszy się i utworzy kopię promienia podstawowego. Po skierowaniu go do fotodetektora odzyskiwana jest cała zapisana wcześniej informacja. Dane są zapisywane i zatwierdzane przy użyciu zielonego promienia laserowego, do odczytu służy światło czerwonego lasera. Źródło [2].
[1] "1000 słów o komputerach i informatyce"; B. Buśko, J. Śliwieński; Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej; 1982;
[2] Internet - http://www.ci.pwr.wroc.pl/~grygiel/pamieci/pamieci.htm
[3] "Pamięci maszyn cyfrowych, konstrukcja i technologia"; E. Nowak, Z. Sawicki; Wydawnictwo Naukowo-Techniczne; Warszawa 1997;
[4] "Prehistoria i historia komputerów"; R. Ligonniere; Zadkład Narodowy im. Ossolińskich; 1992;