: Yellow Book (Желтая книга), Red Book (Красная книга) и Green Book (Зеленая книга).

К первому стандарту относится CD-ROM (compact disc read-only memory ) - разновидность компакт-дисков с данными, доступными только для чтения. Разработан был для хранения музыки, впоследствии он был доработан для хранения и других цифровых данных.

Ко второму стандарту относится звуковой компакт-диск (CDDA, также называемый Audio CD ) - стандарт предназначается для компакт-дисков со звуковым содержимым. Формат хранения звуковой информации - PCM 44100 Гц, 16-бит стерео.

Стандарт под названием Зеленая книга более известен как CD-i, или Compact Disc Interactive, это стандарт мультимедийных компакт-дисков форматов аудио-CD, CD+G (CD+Graphics), Karaoke CD, и Video CDs (VCDs).

Условно можно разделить развитие компакт-дисков на 4 поколения.

1-е поколение.

CD-Extra (Compact-Disc Extra - Экстра-компакт-диск ) - он же Enhanced CD (Enhanced Compact-Disc - Расширенный компакт-диск ) - формат CD-дисков, позволяющий хранить на одном CD-диске вместе звуковые дорожки и дорожки с данными. Формат звуковых дисков CD-DA (Audio CD) позволял хранить на одном диске только звуковые дорожки, что было весьма неудобно. А формат CD-EXTRA позволил решить данную проблему при помощи использования технологии мультисессионной записи дисков. Теперь на одном CD-диске можно было хранить одну дорожку с данными и ещё несколько звуковых дорожек. При этом такой диск можно будет без проблем воспроизводить как CD-DA (Audio CD) на бытовом CD-плеере или компьютере, а также считывать с него данные на компьютере.

Photo CD - система разработана фирмой Kodak для переведения в цифровую форму и хранения фотографий на компакт-диске. На диске помещались до сотни фотографий, используя специальную систему сжатия информации. Данная система получила признание среди профессиональных фотографов из-за низкой цены и высокого качества изображений. В настоящее время большинство проигрывателей CD и DVD способно воспроизводить изображения в формате jpeg и tiff, записанных непосредственно на диск.

Логическим развитием записываемого лазерного компакт-диска является CD-RW, с возможностью многократного перезаписывания данных. Этот формат был представлен в 1997 году и в процессе разработки назывался CD-Erasable (CD-E, Стираемый Компакт-Диск). Позднее появился новый формат записи болванок CD-RW - Universal Disk Format (UDF, Packet Writing), который позволяет «отформатировать» диск и работать с ним как с обычной большой дискетой, позволяющей чтение/запись/удаление/изменение данных. Объём таких UDF-форматированных дисков равен примерно 530 Мбайт, в отличие от обычных 700 Мбайт при записи одной сессией на весь диск.

2-е поколение.

DVD-RAM - перезаписываемый DVD диск, предложенный организацией DVD Forum. Для перезаписи используется технология изменения фазы (phase change technology ), благодаря которой DVD-RAM могут быть сравнимы со съёмными жёсткими дисками, поскольку данные на DVD-RAM могут быть перезаписаны 100000 раз, в отличие от DVD-RW и DVD+RW, допускающих лишь 1000 перезаписей. Первыми появились DVD-RAM диски ёмкостью 2,6 Гб (односторонние) и 5,6 Гб (двусторонние) . Вслед за ними появились диски второй версии: DVD-RAM диски ёмкостью 4,7 Гб и двусторонние диски ёмкостью 9,4 Гб.

DVD-Audio - цифровой формат DVD, созданный специально для высококачественного воспроизведения звуковой информации. Диск формата DVD-Audio позволяет записывать фонограммы с различным числом звуковых каналов (от моно до 5.1). Сейчас существуют две версии формата DVD-Audio: просто DVD-Audio - только для звукового содержания и DVD-AudioV - для звука с дополнительной информацией. Звуковые дорожки в формате DVD-Audio располагаются в каталоге AUDIO_TS диска.

Минидиск (MD) ® - магнито-оптический носитель информации. Был разработан и впервые представлен компанией Sony. Позиционировался как замена компакт-кассетам и используются в основном для хранения аудио информации.

3-е поколение

Blu-ray Disc, BD (blue ray - синий луч и disc - диск; написание blu вместо blue - намеренное) - формат оптического носителя, используемый для записи и хранения цифровых данных, включая видео высокой чёткости с повышенной плотностью. Blu-ray («синий-луч») получил своё название от использования для записи и чтения коротковолнового (405 нм) «синего» (технически сине-фиолетового) лазера. Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23,3/25/27 или 33 Гб, двухслойный диск может вместить 46,6/50/54 или 66 Гб. На данный момент американские ученые разработали технологию, которая позволит увеличить емкость дисков Blu-ray до одного терабайта (1024 гигабайта. В настоящее время максимальная емкость Blu-ray составляет 50 гигабайт.

HD DVD (High-Density DV D - DVD высокой ёмкости) - технология записи оптических дисков, разработанная компанией Toshiba, NEC и Sanyo. HD DVD (как и Blu-ray Disc) использует диски стандартного размера (120 миллиметров в диаметре) и голубой лазер с длиной волны 405 нм. В 2008 году компания Toshiba объявила о прекращении поддержки технологии HD DVD в связи с решением положить конец войне форматов

FVD (Forward Versatile Disc) - многофункциональный оптический диск для хранения аудио и видео высокого разрешения, соответствующие требованиям HDTV и использующий красный лазер.
FVD отличается от DVD физической и логической структурой, несмотря на использование одного и того же красного лазера. Объем FVD достигает 5.4 Гб по сравнению с 4.7 Гб на DVD при использовании одного слоя. Слоев может быть два или три, в последнем случае емкость диска составляет 15 Гб

Ultra Density Optical (UDO) - формат оптического диска для хранения видео высокой чёткости. UDO представляет собой картридж 5.25" с оптическим диском внутри. Объём диска на данный момент составляет от 60 Гб до 120 Гб. Для записи может использоваться как красный лазер (650нм), так и сине-фиолетовый (405нм), причём во втором случае максимальный объём диска может достигать 500 Гб.

PFD (Professional Disc ) - Профессиональный диск формат оптического носителя, представленный компанией Sony для записывающей системы профессиональных видеокамер.

HD VMD (High Density - Versatile Multilayer Disc) - формат цифровых носителей на оптических дисках, предназначенный для хранения высококачественного медиаконтента. На одном слое HD VMD-диска помещается до 5 Гб данных, но за счёт того, что диски являются многослойными (до 20 слоёв) их ёмкость достигает 100 Гб. Диски HD VMD позволяют хранить видео стандарта 1080p, аналогично Blu-ray и HD DVD.

4 -е поколение

Голографический многоцелевой диск (Holographic Versatile Disc) - разрабатываемая перспективная технология производства оптических дисков, которая предполагает значительно увеличить объём хранимых на диске данных по сравнению с Blu-Ray и HD DVD. Она использует технологию, известную как голография, которая использует два лазера: один - красный, а второй - зелёный, сведённые в один параллельный луч. Зелёный лазер используется для считывания данных, закодированных в виде сетки с голографического слоя близкого к поверхности диска, в то время как красный лазер используется для чтения вспомогательных сигналов с обычного слоя в глубине диска. Вспомогательная информация используется для отслеживания позиции чтения.

Диаметр их ненамного превышает диаметр современных дисков и составляет 130 мм - он хорошо подходит для печати двд . Они помещены в картриджи наподобие первых моделей DVD-носителей, так как попадание света на поверхность фотополимера вызовет химическую реакцию, которая необратимо разрушит записанные данные. Основные их преимущества перед Blu ray: больший объем: 1,6 Тб против 50 Гб, большая скорость записи/считывания информации: 120 МБ/cек против 26 МБ/сек, длительный срок службы (до 50 лет).

Основной функцией внешней памяти компьютера является способность долговременно хранить большой объем информации (программы, документы, аудио-и видеоклипы и т. д.). Устройство, которое обеспечивает запись/считывание информации, называется накопителем или дисководом, а хранится информация на носителях (например, дискетах).

В накопителях на гибких магнитных дисках (НГМД или дискетах) и накопителях на жестких магнитных дисках (НЖМД или винчестерах), в основу записи, хранения и считывания информации положен магнитный принцип, а в лазерных дисководах - оптический принцип.

Гибкие магнитные диски.

Гибкие магнитные диски помещаются в пластмассовый корпус. Такой носитель информации называется дискетой. Дискета вставляется в дисковод, вращающий диск с постоянной угловой скоростью. Магнитная головка дисковода устанавливается на определенную концентрическую дорожку диска, на которую и записывается (или считывается) информация.

Информационная ёмкость дискеты невелика и составляет всего 1.44 Мбайт. Скорость записи и считывания информации также мала (около 50 Кбайт/с) из-за медленного вращения диска (360 об./мин).

В целях сохранения информации гибкие магнитные диски следует предохранять от воздействия сильных магнитных полей и нагревания, так как это может привести к размагничиванию носителя и потере информации.

Жесткие магнитные диски.

Жесткий диск (HDD - Hard Disk Drive) относится к несменным дисковым магнитным накопителям. Первый жесткий диск был разработан фирмой IBM в 1973 г. и имел емкость 16 Кбайт.

Жесткие магнитные диски представляют собой несколько десятков дисков, размещенных на одной оси, заключенных в металлический корпус и вращающихся с высокой угловой скоростью. За счет множества дорожек на каждой стороне дисков и большого количества дисков информационная емкость жестких дисков может в десятки тысяч раз превышать информационную емкость дискет и достигать сотен Гбайт. Скорость записи и считывания информации с жестких дисков достаточно велика (около 133 Мбайт/с) за счет быстрого вращения дисков (7200 об./мин).

Часто жесткий диск называют винчестер. Бытует легенда, объясняющая, почему за жесткими дисками повелось такое причудливое название. Первый жесткий диск, выпущенный в Америке в начале 70-х годов, имел емкость по 30 Мб информации на каждой рабочей поверхности. В то же время, широко известная в той же Америке магазинная винтовка О. Ф. Винчестера имела калибр - 0.30; может грохотал при своей работе первый винчестер как автомат или порохом от него пахло - не ясно, но с той поры стали называть жесткие диски винчестерами.

В процессе работы компьютера случаются сбои. Вирусы, перебои энергоснабжения, программные ошибки - все это может послужить причиной повреждения информации, хранящейся на Вашем жестком диске. Повреждение информации далеко не всегда означает ее потерю, так что полезно знать о том, как она хранится на жестком диске, ибо тогда ее можно восстановить. Тогда, например, в случае повреждения вирусом загрузочной области, вовсе не обязательно форматировать весь диск (!), а, восстановив поврежденное место, продолжить нормальную работу с сохранением всех своих бесценных данных.

В жестких дисках используются достаточно хрупкие и миниатюрные элементы. Чтобы сохранить информацию и работоспособность жестких дисков, необходимо оберегать их от ударов и резких изменений пространственной ориентации в процессе работы.

Лазерные дисководы и диски.

В начале 80-х годов голландская фирма «Philips» объявила о совершенной ею революцией в области звуковоспроизведения. Ее инженеры придумали то, что сейчас пользуется огромной популярностью - Это лазерные диски и проигрыватели.

За последние несколько лет компьютерные устройства для чтения компакт-дисков (CD), называемые CD-ROM, стали практически необходимой частью любого компьютера. Это произошло потому, что разнообразные программные продукты стали занимать значительное количество места, и поставка их на дискетах оказалась чрезмерно дорогостоящей и ненадёжной. Поэтому их стали поставлять на CD (таких же, как и обычные музыкальные).

Лазерные дисководы используют оптический принцип чтения информации. На лазерных дисках CD (CD - Compact Disk, компакт диск) и DVD (DVD - Digital Video Disk, цифровой видеодиск) информация записана на одну спиралевидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью. Лазерный луч падает на поверхность вращающегося диска, а интенсивность отраженного луча зависит от отражающей способности участка дорожки и приобретает значения 0 или 1. Для сохранности информации лазерные диски надо предохранять от механических повреждений (царапин), а также от загрязнения. На лазерных дисках хранится информация, которая была записана на них в процессе изготовления. Запись на них новой информации невозможна. Производятся такие диски путем штамповки. Существуют CD-R и DVD-R диски информация на которые может быть записана только один раз. На дисках CD-RW и DVD-RW информация может быть записана/перезаписана многократно. Диски разных видов можно отличить не только по маркировки, но и по цвету отражающей поверхности.

Запись на CD и DVD при помощи обычных CD-ROM и DVD-ROM невозможна. Для этого необходимы устройства CD-RW и DVD-RW с помощью которых возможны чтение-однократная запись и чтение-запись-перезапись. Эти устройства обладают достаточно мощным лазером, позволяющем менять отражающую способность участков поверхности в процессе записи диска. Информационная ёмкость CD-ROM достигает 700 Мбайт, а скорость считывания информации (до 7.8 Мбайт/с) зависит от скорости вращения диска. DVD-диски имеют гораздо большую информационную ёмкость (однослойный односторонний диск - 4.7 Гбайт) по сравнению с CD-дисками, т.к. используются лазеры с меньшей длинной волны, что позволяет размещать оптические дорожки более плотно. Так же существуют двухслойные DVD-диски и двухсторонние DVD-диски. В настоящее время скорости считывания 16-скоростных DVD-дисководов достигает 21 Мбайт/с.

Устройства на основе flash-памяти.

Flash-память - это энергонезависимый тип памяти, позволяющий записывать и хранить данные в микросхемах. Устройства на основе flash-памяти не имеют в своём составе движущихся частей, что обеспечивает высокую сохранность данных при их использовании в мобильных устройствах.

Flash-память представляет собой микросхему, помещенную в миниатюрный корпус. Для записи или считывания информации накопители подключаются к компьютеру через USB-порт. Информационная емкость карт памяти достигает 1024 Мбайт.

Тип носителя	Емкость носителя	Скорость обмена данными (Мбайт/с)	Опасные воздействия
			Магнитные поля, нагревание, физическое воздействие
	сотни Гбайт		Удары, изменение пространственной ориентации в процессе работы
	650-800Мбайт		Царапины, загрязнение
	до 17Гбайт
Устройства на основе flash-памяти	до 1024 Мбайт	USB 1.0 - 1,5 USB 1.1 - 12 USB 2.0 - 480	Перенапряжение питания

Электроника для начинающих

Предисловие

Моя предыдущая статья была посвящена внутреннему устройству чипа от Nvidia , да и, пожалуй, внутреннему устройству любого современного процессора. В этой статье мы перейдём к средствам хранения информации, и я расскажу, что представляют собой CD и HDD диски на микроуровне.

CD

Начнём с CD диска. Наш подопытный - простой CD-R от Verbatim. Обычный диск с записанной (а точнее, напечатанной) информацией состоит из 3 основных слоёв. Слой А – поликарбонатный диск, который отвечает сразу за несколько функций. Первое – основа диска, которая выдерживает огромные скорости вращения внутри дисковода.

Так в общих чертах можно представить строение CD диска

Поликарбонатный диск, как оказалось, дополнительно покрывают специальным лаком, который защищает от легких механических повреждений внешнюю поверхность диска.

Слой лака выделен красным цветом, под ним «начинается» поликарбонат

Под пучком электронного микроскопа, слой защитного лака чувствует себя не очень хорошо

Второе – именно на поликарбонате, в прямом смысле этого слова, печатается информация с матрицы - будь то фильм, музыка или программы. Как сообщает нам Вики, поликарбонатная основа имеет толщину 1,2 мм и весит всего-навсего 15-20 грамм .

Естественно, что поликарбонат и лак прозрачны для лазерного излучения, поэтому «напечатанную» информацию для лазера необходимо сделать «видимой», для чего поверхность покрывают тонким слоем алюминия (слой B). Стоит отметить, что CD-ROM с «напечатанной» информацией, CD-R и CD-RW имеют незначительные отличия. В двух последних случаях, добавляется промежуточный слой между поликарбонатом и алюминием, который может изменять свои свойства под действием лазерного излучения определённой длины волны, а на поликарбонате печатаются пустые дорожки. Это могут быть либо красители в случае CD-R (что-то похожее на фоторезист), либо металлические сплавы в случае CD-RW. Именно поэтому перезаписываемые диски не рекомендуется подвергать действию прямых солнечных лучей и перегреву, который также может спровоцировать изменение оптических свойств.

Давайте сравним диск и алюминиевый слой, оторванный от него. Видно, что на поликарбонате есть «канавки» (питы), а на слое алюминия наоборот возвышения, которые полностью соответствуют канавкам:

Привычные углубления на поверхности поликарбоната (АСМ-изображение)

На защитном алюминиевом слое видны питы-«наоборот»: не канавки, а выступы (АСМ-изображение)

Далее полученный «пирог» покрывают специальным защитным слоем С, чья основная обязанность – защитить «нежный» алюминиевый отражающий слой. Далее на этот слой можно что-то наклеивать, писать маркером, наносить специальные дополнительные слои для печати и т.д. и т.п.

В данном видео представлены все технологические этапы производства CD дисков:

Запись на CD диске подобная записи на виниловой пластинке, т.е. дорожка с информацией идёт по спирали. Он берёт своё начало в центре диска и заканчивается у внешнего края. А вот прямо посреди диска «стыкуются» пустые участки и дорожки с записанной информацией:

Вот была запись, а вот её и нет. Сравнение пустых дорожек и дорожек с записанной информацией (СЭМ-микрофотографии)

Принципиальных отличий на микроуровне CD от DVD и, наверное, Blu-Ray нет. Разве что питы будут меньших размеров. В нашем случае размеры 1 минимального углубления составляют 330 нм в ширину и 680 нм в длину, при этом расстояние между дорожками ~930 нм.

N.B. Если у вас есть исцарапанный CD диск, который не читается ни в одном приводе, попробуйте его заполировать. Для этого подойдёт практически любая прозрачная полироль. Она заполнит углубления, которые мешают чтению информации, и Вы хотя бы сможете скопировать информацию с диска.

Как же всё-таки иногда причудливо изгибается слой алюминия (практически произведение искусства – чёрное и белое):

Чёрные и белые полосы нашей жизни. CD (СЭМ-микрофотография)

И напоследок ещё пара изображений CD, полученных с помощью оптического микроскопа:

Оптическая микроскопия: слева - алюминиевый отражающий слой, справа - слой Al (более светлая область) на поликарбонатном диске (более тёмная область)

HDD

Приступим теперь к жёсткому диску. Для меня всегда, ещё со времён дискет и VHS оставалось загадкой, как же всё-таки устроена магнитная память?! Перед написанием статьи, я попытался найти хоть какие-то видео и медиа материалы, которые демонстрировали бы, как в предыдущем ролике, основные этапы производства жёстких дисков, и был неприятно обрадован Вики: «Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика - окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения составляют коммерческую тайну» . Пришлось смириться и не искать правды от производителей HDD (разве что, Seagate слегка приоткрыл свои секреты), тем более что с приходом эры SSD конкуренция на рынке ещё больше усилилась.

Сами пластины изготавливаются из немагнитных металлических сплавов. Основу этих сплавов составляют алюминий и магний, как самые лёгкие конструкционные материалы. Далее на них наносится тонкий, опять таки согласно Вики , 10-20 нм слой магнитного – тут, пожалуй, слово нанокристаллический будет уместно – материала, который затем покрывается небольшим слоем углерода для защиты. Так как диск NoName, и выполнен он по древней технологии параллельной записи информации, то я позволю себе привести здесь состав материала по данным EDX (рентгеноспектральный микроанализ): Co – 1,1 атомных %, Y – 1,53 ат. %, Cr – 2,38 ат. %, Ni – 45,81 ат. %. Содержание углерода 36,54 %. Откуда-то взялись Si и P, содержание которых составляет 0,46 ат. % и 12,25 ат. %, соответственно. Происхождение кремния – по всей видимости, в следовых количествах остался на поверхности после работы микротома и моей полировки, а фосфор – просто заляпал образец.
Честно, я пытался найти слой магнитного материала толщиной «10-20 нм», но безуспешно. Если исходить из того, что увидел я, то поверхностный слой имеет толщину примерно 12 микрометров:

Тот сам «тоненький» слой, который хранит информацию в наших жёстких дисках

Конечно, Вы можете в комментариях меня поправить, но:
1. диск довольно старый (т.е. дата его изготовления относится к началу прошлого десятилетия);
2. особенности EDX таковы, что глубина выхода сигнала лежит в пределах от 1 до 10 мкм;
таким образом, мне кажется, что эти 12 микрометров и есть магнитный слой, который сверху покрыт тончайшим слоем углерода (50-100 нм), который на срезе может быть и не виден.

Сама поверхность диска очень и очень гладкая, перепад высот лежит в пределах 10 нм, что сравнимо с шероховатостью поверхности монокристаллического кремния. А вот и изображения в режиме фазового контраста, которые соответствуют распределению магнитных доменов на поверхности, т.е. мы видим фактически отдельные биты информации:

АСМ-изображения поверхности жёсткого диска. Справа представлены изображения в фазовом контрасте

Немножко о фазовом контрасте: сначала игла АСМ-микроскопа «ощупывает» рельеф, затем зная рельеф и повторяя его форму игла делает второй проход на расстоянии 100 нм от образца, чтобы «заглушить» действие Ван-дер-Ваальсовых сил и «выделить» действие магнитных сил. Флешку о том, как это происходит можно посмотреть .

Кстати, заметили, что единичные магнитные домены вытянуты вдоль плоскости диска и параллельны ему?! Позволю себе пару слов о методах записи. На данный момент диски с перпендикулярным методом записи информации (т.е. такие у которых магнитные домены ориентированы перпендикулярно плоскости диска), появившиеся в 2005 году, практически полностью вытеснили диски с параллельной записью. Преимущество перпендикулярной записи очевидно – выше плотность записи, но тут есть один тонкий момент в связи с данными Вики о толщине магнитного слоя. Этот нюанс называется – суперпарамагнитный предел. Т.е. существует некоторый критический размер частицы, после которого ферромагнетик уже при комнатной температуре переходит в парамагнитное состояние. Т.е. тепловой энергии хватает, что проворачивать, переориентировать такой маленький магнитик. В случае магнитной записи часто поступают следующим образом: делают один из размеров «магнитика» больше, чем два остальных (это хорошо видно на картинке с распределением магнитных доменов), тогда в этом большем направлении магнитный момент сохраняется. Так вот, если в случае параллельной записи я ещё могу поверить, что слой магнетика десятки нанометров при размерах 1 бита в несколько микрометров, то в случае перпендикулярной записи – этого просто не может быть. Толщина такой намагничиваемой области при минимальных размерах в плоскости диска, просто обязана быть минимум несколько микрометров. Так что, возможно, Вики немножко подвирает. Либо наносят магнетик в виде наночастиц диаметром 10-20 нм, а уже потом каким-то «хитрым» образом разбивают диск на области, которые и отвечают за хранение информации. К сожалению, я не полностью удовлетворил своё любопытство и ответил на вопросы о магнитной записи информации, может быть кто-нибудь поможет?!

Сравнение параллельного и перпендикулярного методов записи информации на жётских дисках

Может быть, кому-то понравится видео на английском от Seagate:

Последнее о том, как с 1995 года изменялась стоимость 1 Mb HDD диска и сколько дисков было выпущено:

Как и обещал, выкладываю видео о том, как проводилась съёмка на различных приборах (не забывайте читать описание к видео на YouTube и оставлять свои комментарии). Для статистики: съёмки заняли 4 дня (хотя всё можно было уложить в 2), длительность видео, которое подверглось монтажу – около 3 часов, в итоге получился 15 минутный ролик. Я надеюсь, что в скором будущем появятся английские субтитры для этого видео.

P.S.: Данная статья опубликована в преддверии Фестиваля Науки, который пройдёт в Москве с 7 по 9 октября 2011 года (реально свободный доступ будет только 8 и 9 октября), и я хотел бы пригласить всех желающих посетить нашу выставку «Красота материалов», которая пройдёт на втором этаже Фундаментальной Библиотеки на территории МГУ.

P.P.S.: C Антоном Войцеховским мы готовим несколько видеозаметок о том, как устроены некоторые биологические объекты (роза, например, выглядит просто шикарно). Думаю, что на Хабре их не появится (согласитесь, сложно микрофотографию бритвы или спичечной головки привязать к IT), но как только видео будут готовы, так они сразу появятся на моём канале на youtube и rutube, и обязательно на сайте Нанометр.ру .

Вскрытие чипа Nvidia 8600M GT , более обстоятельная статья дана тут:

В нашу жизнь плотно вошли разнообразные средства обработки и хранения данных. В далеком прошлом остались печатные бумажные архивы. Что представляют собой современные носители информации?

Оптический диск: история создания

Первое устройство для хранения аудиозаписей было произведено компанией Sony в далеком 1979 году. Представляло оно собой, как и сейчас, пластиковый диск с круглым отверстием в центре. Изначально его использовали только для записи аудиофайлов, а информация на него наносилась особым методом кодирования Pulse Code Modulation. Он заключается в том, что текст или звук проходит через аналого-цифровой преобразователь и превращается в набор битов.

Позже, в 1982 году, в Германии началось массовое производство дисков. Их стали покупать для хранения разнообразных файлов. Вскоре они попали на прилавки не только музыкальных магазинов.

Как же устроен компакт-диск? Для изготовления основы используют 1,2-милиметровую по толщине поликарбонатную пластину диаметром 120 мм, которую сначала покрывают тонким слоем металла (золото, алюминий, серебро и т. д.), а затем лака. Именно на металл наносится информация в виде питов (углублений), выдавленных по спиральной дорожке. Считывание файлов, записанных на оптический диск,происходит при помощи лазерного луча с длиной волны 780 нм. Он отражается от поверхности пластины, меняет фазу и интенсивность, попадая на питы. Лендом же принято называть промежутки между питами. Шаг одной дорожки, находящейся в спирали, составляет около 1,6 мкм.

Типы оптических дисков

Существует несколько видов Digital Versatile Disc (DVD), Blu-ray Disc (BD). Все они имеют разную вместимость для записи информации. Например, DVD-диски производятся емкостью от 4,3 до 15,9 Гб, а CD - только до 900 Мб.

Также различают диски по кратности записи: однократные и многократные. В таких носителях по-разному формируется рельефная структура питов. Перезапись возможна благодаря органическому материалу, который под действием лазера темнеет и изменяет коэффициент отражения. В просторечии такой процесс называют прожигом.

Еще оптические носители могут отличаться формой. Фигурные компакт-диски (Shaped CD) обычно применяются в шоу-бизнесе как хранители аудио- и видеофайлов. Они бывают произвольной формы (квадратные, в виде самолета или сердечка). Использовать их в приводах CD-ROM не рекомендуется, потому что на высоких скоростях вращения они могут разорваться.

CD-диски и их виды

Оптический диск CD-R является носителем информации, которая доступна только для чтения. Записать файлы на него можно лишь один раз без права дописывания и редактирования. Изначально емкость таких дисков достигала всего 650 Мб или 74 минуты аудиозаписи. Теперь выпускаются устройства, вмещающие до 900 Мб информации. Преимущества их в том, что чтение поддерживают все стандартные CD.

Таким же объемом памяти обладает и лазерный диск CD-RW, только файлы на него можно записывать многократно (до 1000 раз). Для этого используются стандартные компьютерные программы. Минусом является то, что не все устройства готовы работать с данным форматом. Стоят CD-RW немного дороже, чем CD-R.

Компакт-диски с аудио- и видеозаписями не обладают никакой степенью защиты, их можно копировать и воспроизводить. А вот носители с определенными данными защищены от копирования технологией StarForce.

Диски формата ROM записываются на фабрике и способны только воспроизводить данные. Отредактировать такой носитель невозможно. А вот оптические устройства типа RAM можно перезаписывать до 10 тысяч раз и служат они до 30 лет. Такие диски производятся в дополнительных картриджах, их чтение не поддерживается обычными дисководами.

DVD-носители и их характеристики

Digital Versatile Disc является цифровым многоцелевым носителем информации. Структура его более плотная и вмещает много информации (до 15 Гб). Такой оптический диск напоминает склеенные вместе два CD. Хранение и считывание большого объема информации возможно благодаря использованию красного лазера, которого составляет 650 нм, и линзы с максимальной числовой апертурой. DVD-диски имеют одну или две записывающие стороны, а также один или два рабочих слоя на каждой стороне. Эти показатели определяют их емкость.

Как и подразделяются на несколько форматов. DVD-R или DVD+R являются носителями, на которые можно только один раз записать информацию. Стандарт записи на таких дисках был разработан компанией Pioneer в 1997 году. «Минусовые» и «плюсовые» устройства отличаются материалом отражающего слоя и специальной разметкой.

Оптические диски DVD RW (DVD+RW, DVD-RW) обладают возможностью многократной перезаписи информации. Причем «плюсовой» носитель позволяет вносить изменения в необходимые на ваше усмотрение места. Универсальные дисководы помогают решить проблему несовместимости форматов (+RW и -RW).

Что такое Blu-ray Disc?

Этот тип оптического диска позволяет хранить и записывать цифровые данные с высокой плотностью. Для воспроизведения информации (даже видео высокой четкости) используется синий лазерный луч в 405 нм, который сужает вдвое спиральную дорожку. Файлы, находящиеся очень близко друг к другу, чувствительны к механическим повреждениям, поэтому за диском должен быть особый уход. Последнее время производятся носители с особым покрытием, которое можно протирать обычной сухой салфеткой.

Существуют диски Blu-ray одноразовой и многоразовой записи, а также многослойные (от 2 до 4 слоев). Вместимость самого «слоистого» носителя достигает 128 Гб. При этом он обладает стандартным 12-сантиметровым диаметром. Двухслойный стандартный диск Blu-ray вмещает до 50 Гб информации. В разработке находится устройство, достигающее емкости в 300-400 Гб, которое могут читать современные дисководы. Для видеокамер используются диски меньшего диаметра (80 мм) с объемом памяти до 15 Гб.

Для защиты от копирования Blu-ray оснащены цифровыми водяными знаками ROM-Mark и технологией Mandatory Managed Copy.

Предназначение MiniDVD-носителей

Оптический носитель Mini DVD представляет собой уменьшенную копию обычного Digital Versatile Disc. Он составляет в диаметре 8 см и используется в фото- и видеокамерах. Односторонний диск вмещает до 1,4 Гб информации, соответственно, двусторонний - 2,8 Гб. По формату они бывают MiniDVD-R (однократная запись) и MiniDVD-RW (многократная).

Стандартный 12-сантиметровый привод не предназначен для чтения Mini DVD. При использовании таких дисков в ноутбуке следует применять шпиндель мотора привода. Иногда существуют проблемы с чтением Обычно в таких случаях компьютер выдает надпись «не найден драйвер для дисковода оптических дисков». Для решения проблемы следует обратиться к опытному программисту.

ВНИМАНИЕ!
Здесь приводится очень сокращённый текст реферата. Полную версию реферат по информатике можно скачать бесплатно по указанной выше ссылке.

Виды носителей информации

Носитель информации – физическая среда, непосредственно хранящая информацию. Основным носителем информации для человека является его собственная биологическая память (мозг человека). Собственную память человека можно назвать оперативной памятью. Здесь слово “оперативный” является синонимом слова “быстрый”. Заученные знания воспроизводятся человеком мгновенно. Собственную память мы еще можем назвать внутренней памятью, поскольку ее носитель – мозг – находится внутри нас.

Носитель информации - строго определённая часть конкретной информационной системы, служащая для промежуточного хранения или передачи информации.

Основа современных информационных технологий – это ЭВМ. Когда речь идет об ЭВМ, то можно говорить о носителях информации, как о внешних запоминающих устройствах (внешней памяти). Эти носители информации можно классифицировать по различным признакам, например, по типу исполнения, материалу, из которого изготовлен носитель и т.п. Один из вариантов классификация носителей информации представлен на рис. 1.1.

Список носителей информации на рис. 1.1 не является исчерпывающим. Некоторые носители информации мы рассмотрим более подробно в следующих разделах.

Ленточные носители информации

Магнитная лента - носитель магнитной записи, представляющий собой тонкую гибкую ленту, состоящую из основы и магнитного рабочего слоя. Рабочие свойства магнитной ленты характеризуются её чувствительностью при записи и искажениями сигнала в процессе записи и воспроизведения. Наиболее широко применяется многослойная магнитная лента с рабочим слоем из игольчатых частиц магнитно-твёрдых порошков гамма-окиси железа (у-Fе2О3), двуокиси хрома (СrО2) и гамма-окиси железа, модифицированной кобальтом, ориентированных обычно в направлении намагничивания при записи.

Дисковые носители информации

Дисковые носители информации относятся к машинным носителям с прямым доступом. Понятие прямой доступ означает, что ПК может «обратиться» к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию .

Накопители на дисках наиболее разнообразны:

• Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), они же флоппи-диски, они же дискеты
• Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), они же винчестеры (в народе просто «винты»)
• Накопители на оптических компакт-дисках:
• CD-ROM (Compact Disk ROM)
• DVD-ROM

Имеются и другие разновидности дисковых носителей информации, например, магнитооптические диски, но ввиду их малой распространенности мы их рассматривать не будем.

Накопители на гибких магнитных дисках

Некоторое время назад дискеты были самым популярным средством передачи информации с компьютера на компьютер, так как интернет в те времена был большой редкостью, компьютерные сети тоже, а устройства для чтения-записи компакт дисков стоили очень дорого. Дискеты и сейчас используются, но уже достаточно редко. В основном для хранения различных ключей (например, при работе с системой клиент-банк) и для передачи различной отчетной информации государственным надзорным службам.

Дискета - портативный магнитный носитель информации, используемый для многократной записи и хранения данных сравнительно небольшого объема. Этот вид носителя был особенно распространён в 1970-х - начале 2000-х годов. Вместо термина «дискета» иногда используется аббревиатура ГМД - «гибкий магнитный диск» (соответственно, устройство для работы с дискетами называется НГМД - «накопитель на гибких магнитных дисках», жаргонный вариант - флоповод, флопик, флопарь от английского floppy-disk или вообще "печенюшка"). Обычно дискета представляет собой гибкую пластиковую пластинку, покрытую ферромагнитным слоем, отсюда английское название «floppy disk» («гибкий диск»). Эта пластинка помещается в пластмассовый корпус, защищающий магнитный слой от физических повреждений. Оболочка бывает гибкой или прочной. Запись и считывание дискет осуществляется с помощью специального устройства - дисковод (флоппи-дисковод). Дискета обычно имеет функцию защиты от записи, посредством которой можно предоставить доступ к данным только в режиме чтения. Внешний вид 3,5” дискеты представлен на рис. 1.2.

Накопители на жестких магнитных дисках

В качестве накопителей на жестких магнитных дисках широкое распространение в ПК получили накопители типа «винчестер».

Термин винчестер возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 КВ (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30/30 известного охотничьего ружья «Винчестер».

Накопители на оптических дисках

Компакт-диск («CD», «Shape 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.

Оптические диски имеют обычно поликарбонатную или стеклянную термообработанную основу. Рабочий слой оптических дисков изготавливают в виде тончайших плёнок легкоплавких металлов (теллур) или сплавов (теллур-селен, теллур-углерод, теллур-селен-свинец и др.), органических красителей. Информационная поверхность оптических дисков покрыта миллиметровым слоем прочного прозрачного пластика (поликарбоната). В процессе записи и воспроизведения на оптических дисках роль преобразователя сигналов выполняет лазерный луч, сфокусированный на рабочем слое диска в пятно диаметром около 1 мкм. При вращении диска лазерный луч следует вдоль дорожки диска, ширина которой также близка к 1 мкм. Возможность фокусировки луча в пятно малого размера позволяет формировать на диске метки площадью 1-3 мкм. В качестве источника света используются лазеры (аргоновые, гелий-кадмиевые и др.). В результате плотность записи оказывается на несколько порядков выше предела, обеспечиваемого магнитным способом записи. Информационная ёмкость оптического диска достигает 1 Гбайт (при диаметре диска 130 мм) и 2-4 Гбайт (при диаметре 300 мм).

Широкое применение в качестве носителя информации получили также магнитооптические компакт-диски типа RW (Re Writeble). На них запись информации осуществляется магнитной головкой с одновременным использованием лазерного луча. Лазерный луч нагревает точку на диске, а электромагнит изменяет магнитную ориентацию этой точки. Считывание же производится лазерным лучом меньшей мощности.

Во второй половине 1990-х годов появились новые, весьма перспективные носители документированной информации - цифровые универсальные видеодиски DVD (Digital Versatile Disk) типа DVD-ROM, DVD-RAM, DVD-R с большой ёмкостью (до 17 Гбайт).

По технологии применения оптические, магнитооптические и цифровые компакт-диски делятся на 3 основных класса:

1. Диски с постоянной (нестираемой) информацией (CD-ROM). Это пластиковые компакт-диски диаметром 4,72 дюйма и толщиной 0,05 дюйма. Они изготавливаются с помощью стеклянного диска-оригинала, на который наносится фоторегистрирующий слой. В этом слое лазерная система записи формирует систему питов (меток в виде микроскопических впадин), которая затем переносится на тиражируемые диски-копии. Считывание информации осуществляется также лазерным лучом в оптическом дисководе персонального компьютера. CD-ROM обычно обладают ёмкостью 650 Мбайт и используются для записи цифровых звуковых программ, программного обеспечения для ЭВМ и т.п.;
2. Диски, допускающие однократную запись и многократное воспроизведение сигналов без возможности их стирания (CD-R; CD-WORM - Write-Once, Read-Many - один раз записал, много раз считал). Используются в электронных архивах и банках данных, во внешних накопителях ЭВМ. Они представляют собой основу из прозрачного материала, на которую нанесён рабочий слой;
3. Реверсивные оптические диски, позволяющие многократно записывать, воспроизводить и стирать сигналы (CD-RW; CD-E). Это наиболее универсальные диски, способные заменить магнитные носители практически во всех областях применения. Они аналогичны дискам для однократной записи, но содержат рабочий слой, в котором физические процессы записи являются обратимыми. Технология изготовления таких дисков сложнее, поэтому они стоят дороже дисков для однократной записи.

В настоящее время оптические (лазерные) диски являются наиболее надёжными материальными носителями документированной информации, записанной цифровым способом. Вместе с тем активно ведутся работы по созданию ещё более компактных носителей информации с использованием так называемых нанотехнологий, работающих с атомами и молекулами. Плотность упаковки элементов, собранных из атомов, в тысячи раз больше, чем в современной микроэлектронике. В результате один компакт-диск, изготовленный по нанотехнологии, может заменить тысячи лазерных дисков.

Электронные носители информации

Вообще говоря, все рассмотренные ранее носители тоже косвенно связаны с электроникой. Однако имеется вид носителей, где информации хранится не на магнитных/оптических дисках, а в микросхемах памяти. Эти микросхемы выполнены по FLASH-технологии, поэтому такие устройства иногда называют FLASH-дисками (в народе просто «флэшка»). Микросхема, как можно догадаться, диском не является. Однако операционные системы носители информации с FLASH-памятью определяют как диск (для удобства пользователя), поэтому название «диск» имеет право на существование.

Флэш-память (англ. Flash-Memory) - 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 тысяч раз). Несмотря на то, что такое ограничение есть, 10 тысяч циклов перезаписи - это намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW. Стирание происходит участками, поэтому нельзя изменить один бит или байт без перезаписи всего участка (это ограничение относится к самому популярному на сегодня типу флэш-памяти - NAND). 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.

Хранение информации

Хранение информации - это способ распространения информации в пространстве и времени. Способ хранения информации зависит от ее носителя (книга - библиотека, картина - музей, фотография - альбом). Этот процесс такой же древний, как и жизнь человеческой цивилизации. Уже в древности человек столкнулся с необходимостью хранения информации: зарубки на деревьях, чтобы не заблудиться во время охоты; счет предметов с помощью камешков, узелков; изображение животных и эпизодов охоты на стенах пещер.

ЭВМ предназначена для компактного хранения информации с возможностью быстрого доступа к ней.

Информационная система - это хранилище информации, снабженное процедурами ввода, поиска и размещения и выдачи информации. Наличие таких процедур - главная особенность информационных систем, отличающих их от простых скоплений информационных материалов.

От информации к данным

Человек по-разному подходит к хранению информации. Все зависит от того сколько ее и как долго ее нужно хранить. Если информации немного ее можно запомнить в уме. Нетрудно запомнить имя своего друга и его фамилию. А если нужно запомнить его номер телефона и домашний адрес мы пользуемся записной книжкой. Когда информация запомнена (сохранена) ее называют данные.

Данные в компьютере имеют различное назначение. Некоторые из них нужны только в течение короткого периода, другие должны храниться длительное время. Вообще говоря, в компьютере есть довольно много «хитрых» устройств, которые предназначены для хранения информации. Например, регистры процессора, регистровая КЭШ-память и т.п. Но большинство «простых смертных» даже не слышали таких «страшных» слов. Поэтому мы ограничимся рассмотрением оперативной памяти (ОЗУ) и постоянной памяти, к которой относятся уже рассмотренные нами носители информации.

Оперативная память компьютера

Как уже было сказано, в компьютере тоже есть несколько средств для хранения информации. Самый быстрый способ запомнить данные - это записать их в электронные микросхемы. Такая память называется оперативной памятью. Оперативная память состоит из ячеек. В каждой ячейке может храниться один байт данных.

У каждой ячейки есть свои адрес. Можно считать, что это как бы номер ячейки, поэтому такие ячейки еще называют адресными ячейками. Когда компьютер отправляет данные на хранение в оперативную память, он запоминает адреса, в которые эти данные помещены. Обращаясь к адресной ячейке, компьютер находит в ней байт данных.

Регенерация оперативной памяти

Адресная ячейка оперативной памяти хранит один байт, а поскольку байт состоит из восьми битов, то в ней есть восемь битовых ячеек. Каждая битовая ячейка микросхемы оперативной памяти хранит электрический заряд.

Заряды не могут храниться в ячейках долго - они «стекают». Всего за несколько десятых долей секунды заряд в ячейке уменьшается настолько, что данные утрачиваются.

Дисковая память

Для постоянного хранения данных используют носители информации (см. раздел «Виды носителей информации»). Компакт диски и дискеты имеют относительно небольшое быстродействие, поэтому большая часть информации, к которой необходим постоянный доступ, хранится на жестком диске. Вся информация на диске хранится в виде файлов. Для управления доступом к информации существует файловая система. Имеется несколько типов файловых систем.

Структура данных на диске

Чтобы данные можно было не только записать на жесткий диск, а потом еще и прочитать, надо точно знать, что и куда было записано. У всех данных должен быть адрес. У каждой книги в библиотеке есть свой зал, стеллаж, полка и инвентарный номер - это как бы ее адрес. По такому адресу книгу можно найти. Все данные, которые записываются на жесткий диск, тоже должны иметь адрес, иначе их не разыскать.

Файловые системы

Стоит отметить, что структура данных на диске зависит от типа файловой системы. Все файловые системы состоят из структур, необходимых для хранения и управления данными. Эти структуры обычно включают загрузочную запись операционной системы, каталоги и файлы. Файловая система также исполняет три главных функции:

1. Отслеживание занятого и свободного места
2. Поддержка имен каталогов и файлов
3. Отслеживание физического местоположения каждого файла на диске.

Различные файловые системы используются различными операционными системами (ОС). Некоторые OС могут распознавать только одну файловую систему, в то время как другие OС могут распознавать несколько. Некоторые из наиболее распространенных файловых систем:

• FAT (File Allocation Table)
• FAT32 (File Allocation Table 32)
• NTFS (New Technology File System)
• HPFS (High Performance File System)
• NetWare File System
• Linux Ext2 и Linux Swap

FAT

Файловая система FAT используется DOS, Windows 3.x и Windows 95. Файловая система FAT также доступна в Windows 98/Me/NT/2000 и OS/2.

Файловая система FAT реализуется при помощи File Allocation Table (FAT - Таблицы Распределения Файлов) и кластеров. FAT - сердце файловой системы. Для безопасности FAT имеет дубликат, чтобы защитить ее данные от случайного стирания или неисправности. Кластер - самая маленькая единица системы FAT для хранения данных. Один кластер состоит из фиксированного числа секторов диска. В FAT записано, какие кластеры используются, какие являются свободными, и где файлы расположены в пределах кластеров.

FAT-32

FAT32 - файловая система, которая может использоваться Windows 95 OEM Service Release 2 (версия 4.00.950B), Windows 98, Windows Me и Windows 2000. Однако, DOS, Windows 3.x, Windows NT 3.51/4.0, более ранние версии Windows 95 и OS/2 не распознают FAT32 и не могут загружать или использовать файлы на диске или разделе FAT32.

FAT32 - развитие файловой системы FAT. Она основана на 32-битовой таблице распределения файлов, более быстрой, чем 16-битовые таблицы, используемые системой FAT. В результате, FAT32 поддерживает диски или разделы намного большего размера (до 2 ТБ).

NTFS

NTFS (Новая Технология Файловой Системы) доступна только Windows NT/2000. NTFS не рекомендуется использовать на дисках размером менее 400 МБ, потому что она требует много места для структур системы.

Центральная структура файловой системы NTFS - это MFT (Master File Table). NTFS сохраняет множество копий критической части таблицы для защиты от неполадок и потери данных.

HPFS

HPFS (Файловая система с высокой производительностью) - привилегированная файловая система для OS/2, которая также поддерживается старшими версиями Windows NT.

В отличие от файловых систем FAT, HPFS сортирует свои каталоги, основываясь на именах файлов. HPFS также использует более эффективную структуру для организации каталога. В результате доступ к файлу часто быстрее и место используется более эффективно, чем с файловой системой FAT.

HPFS распределяет данные файла в секторах, а не в кластерах. Чтобы сохранить дорожку, которая имеет секторы или не используется, HPFS организовывает диск или раздел в виде групп по 8 МБ. Такое группирование улучшает производительность, потому что головки чтения/записи не должны возвращаться на нулевую дорожку каждый раз, когда ОС нуждается в доступе к информации о доступном месте или местоположении необходимого файла.

NetWare File System

Операционная система Novell NetWare использует файловую систему NetWare, которая была разработана специально для использования службами NetWare.

Linux Ext2 и Linux Swap

Файловые системы Linux Ext2 и Linux были разработаны для ОС Linux OS (Версия UNIX для свободно распространения). Файловая система Linux Ext2 поддерживает диск или раздел с максимальным размером 4 ТБ.

Каталоги и путь к файлу

Рассмотрим для примера структуру дискового пространства системы FAT, как самой простой.

Информационная структура дискового пространства - это внешнее представление дискового пространства, ориентированное на пользователя и определяемое такими элементами, как том (логический диск), каталог (папка, директория) и файл. Эти элементы используются при общении пользователя с операционной системой. Общение осуществляется с помощью команд, выполняющих операции доступа к файлам и каталогам.

Источники информации

1. Информатика: Учебник. – 3-е перераб. изд. / Под ред. Н.В. Макаровой. – М.: Финансы и статистика, 2002. – 768 с.: ил.
2. Волк В.К. Исследование функциональной структуры памяти персонального компьютера. Лабораторный практикум. Учебное пособие. Издательство Курганского государственного университета, 2004 г. – 72 с.