Проект "История развития внешней памяти компьютера" (внеурочная деятельность)
проект по информатике и икт на тему

Муниципальное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №16

городского округа Орехово-Зуево

Проект

по информатике и ИКТ

(внеурочная деятельность)

 История развития

внешней памяти компьютера

Учитель информатики и ИКТ:

        Евстифеева А.В.

2013 г.

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………………...3

1. Запоминающие устройства, их характеристики и классификация……………………………..4

2. Внешние запоминающие устройства

2.1. Перфокарты и перфоленты……………………………………………………………………...6

2.2. Магнитные карты, ленты и барабаны…………………………………………………………..7

2.3. Магнитные диски………………………………………………………………………………..9

2.4. Оптические диски……………………………………………………………………………...12

 2.5. Магнитооптические диски……………………………………………………………………....14

 Заключение…………………………………………………………………………………………....15

 Литература……………………………………………………………………………………….…....16

Введение

        С древнейших времен человечество не только добывало знания, но и пыталось не потерять их, то есть обеспечить эффективное хранение накапливаемой информации. С момента зарождения письменности было перепробовано множество носителей информации от камня до воска, от тесьмы и до шкур животных. Изобретение в средние века дешевого и долговечного носителя информации (бумага) и, что очень важно, дешевого и эффективного способа записи на носитель (книгопечатание) вызвало настоящий информационный бум.

        Но что хорошо для человека – не подходит компьютеру. И с изобретением первой ЭВМ,  человеку пришлось искать новые, совершенно отличные от традиционных способы хранения информации.

        Внешняя память ЭВМ предназначена для долговременного хранения программ и данных. Устройства внешней памяти (накопители) являются энергонезависимыми, выключение питания не приводит к потере данных. Они могут быть встроены в системный блок или выполнены в виде самостоятельных блоков, связанных с системным через его порты. Важной характеристикой внешней памяти служит ее объем. Объем внешней памяти можно увеличивать, добавляя новые накопители. Не менее важными характеристиками внешней памяти являются время доступа к информации и скорость обмена информацией. Эти параметры зависят от устройства считывания информации и организации типа доступа к ней.

        Рассмотрим различные методы и технологий хранения информации, применявшиеся с момента появления первых компьютеров и до нашего времени.

1. Запоминающие устройства, их характеристики и классификация

Систему называют запоминающим устройством (ЗУ), если она обладает способностью воспринимать и сохранять информацию, а затем при определенных условиях частично или полностью адекватно воспроизводить ее, обеспечивая достаточно длинный временной интервал между моментами прихода и использования информации. Простейшая модель, обладающая свойством памяти, состоит из запоминающих элементов (ячеек памяти), связанных с каналом ввода/вывода информации. Поскольку в вычислительной технике информация представлена в двоичном коде, то запоминающее устройство должно содержать набор элементов, которые могут находиться в двух устойчивых состояниях. Каждый такой элемент называется ячейкой памяти и имеет собственный уникальный адрес.

Важнейшими характеристиками ЗУ являются информационная емкость и быстродействие.

Информационная емкость ЗУ определяется количеством единиц информации, которое может храниться в нем. Как правило, информационной емкостью называется только полезный объем хранимой информации, в нее не включается размер памяти, занятый служебной информацией, например резервные области, синхродорожки, инженерные цилиндры и пр.

Минимальной единицей информации является бит или же кратные ей единицы: килобит (1 кб=1024 бита), мегабит (1Мб=1024кб), гигабит (1Гб=1024Мб). Но чаще пользуются единицей байт (1Байт=8бит), или же кратными ей единицами: килобайт (1 кБ=1024 Байта), мегабайт (1МБ=1024КБ), гигабайт (1ГБ=1024МБ). Для измерения больших объемов памяти используются терабайты и петабайты. В сокращенных наименованиях единиц, дабы не спутать, например килобайты и килобиты, мы будем использовать следующее соглашение: если подразумевается бит, то используются строчные буквы (б, кб, Мб, Гб), соответственно байты будем обозначать прописными - Б, кБ, МБ, ГБ.

Быстродействие ЗУ характеризуется его временными характеристиками, к которым относятся:

• Время обращения (время цикла) характеризуем максимальную частоту обращения к данному ЗУ при считывании или записи информации.
• Время считывания (выборки) информации - интервал времени обращения к ЗУ от подачи сигнала считывания и до получения выходного сигнала.
• Время записи информации - интервал времени от момента подачи сигнала обращения к ЗУ до момента готовности ЗУ к приему следующей порции информации.

Важными характеристиками ЗУ являются также надежность, масса устройства, габариты, потребляемая мощность и стоимость.

Запоминающие устройства можно классифицировать всевозможными способами, например по назначению, адресации, характеру хранения информации, физическим принципам работы, технологии изготовления и т.д.

1) По назначению ЗУ разделяют на кратковременные и долговременные.
ЗУ предназначенные для кратковременного хранения информации называются оперативным запоминающим устройством (ОЗУ или RAM). Как уже ясно из названия, они применяются для хранения часто меняющейся информации. При отключении питания информация, хранящаяся в таком ЗУ, теряется. Долговременные, или, как их еще называют, постоянные запоминающие устройства (ПЗУ или ROM), предназначены для длительного хранения информации. Информация, записанная в таком ЗУ при отключении питания, сохраняется достаточно длительное время и может быть по мере надобности использована. ПЗУ делятся на собственно ПЗУ и ППЗУ. В ПЗУ информация может быть записана один раз, а ППЗУ допускают многократную запись/стирание информации. Интересна возможность использования ППЗУ в качестве ОЗУ. До последнего времени тому было два серьезных препятствия: низкая скорость записи информации и высокая стоимость устройств ППЗУ. С развитием технологий себестоимость устройств ППЗУ постоянно снижается, а скорость работы возрастает. Возможно, скоро мы увидим компьютеры, работающие на совсем других принципах; по крайней мере информация о новых видах памяти, призванных заменить собой все существующие, время от времени появляется. Чаще всего ПЗУ и ППЗУ используются для хранения внешних данных – отсюда еще их одно собирательное название - ВЗУ (внешние запоминающие устройства).

2) По методу адресации запоминающие устройства делятся в основном на устройства прямого (произвольного) доступа и устройства последовательного доступа. При прямом (произвольном) доступе время доступа к информации не зависит от ее места расположения на носителе. При последовательном доступе время доступа зависит от местоположения информации (для нахождения ячейки памяти с записанной информацией необходимо последовательно просмотреть все ячейки от начала массива памяти и до нужного нам адреса). Можно было бы предположить, что в ЗУ с произвольным доступом время обращения одинаково для всех ячеек, но это верно далеко не всегда. Если для ОЗУ время обращения к любой ячейке памяти практически одинаково, то в случае жесткого диска (HDD) время доступа к какому-либо сектору складывается из времени подвода считывающей головки к нужной дорожке (seek time), ожидания подхода нужного сектора и времени на саму операцию чтения или записи. Кроме того, все ЗУ можно также разделить на ЗУ, где носитель информации объединен с устройством чтения/записи (например, жесткие диски) и на ЗУ со съемными носителями. Примером последних являются флоппи-диски.

3)  По способу записи и чтения накопители делятся, в зависимости от вида носителя, на магнитные, оптические и магнитооптические.

2. Внешние запоминающие устройства

2.1. Перфокарты и перфоленты

Основными представителями древних устройств последовательного доступа являются накопители на перфокартах, на перфолентах, и магнитных картах (НМК). Эти типы устройств появились с возникновением ЭВМ первого поколения в 1949 – 1958 гг.

Перфоленты представляли собой длинные бумажные ленты, а перфокарты - кусочки картона определенного размера. И на те и на другие информация наносилась путем пробивания в определенном порядке отверстий и считывания информации механическим или оптическим методом. Все ЭВМ, начиная с самых первых (ABC, Z-серия Цузе, Марк I, ЭНИАК) и до сравнительно недавнего времени (1982 г.) использовали этот принцип ввода/вывода/хранения информации.

На перфокарте стандартно помещалось 80 символов. Скорость считывания с перфокарты зависела от конкретной реализации устройства считывания и колебалась в пределах от 20-50 перфокарт/мин в первых ЭВМ и до 2000 в более новых машинах, таких как ЭВМ ЕС-серии (конец 70-х годов). Такое быстродействие достигалось использованием нескольких ридеров (устройств чтения) перфокарт параллельно. Запись информации («пробивка дырок») производилась со скоростью 10-250 перфокарт в минуту.

Для складирования перфокарт требовались огромные хранилища. Для сравнения: стопка перфокарт размером с обычный жесткий диск форм-фактора 3.5” содержала бы всего около 8 КБ информации. А если бы нам потребовалось сохранить 80 ГБ информации (обычная на сегодняшний день емкость жесткого диска), то перфокарты заняли бы объем около 5000 м3, что соответствует помещению размером 30 м * 60 м и высотой 3 м.

Информационная емкость перфоленты зависела от длины рулона и составляла обычно 10-100 КБ. Скорость считывания составляла до 1500 строк в секунду, скорость записи до 200.

И перфоленты и перфокарты относятся к ЗУ последовательного доступа со сменным носителем физического типа. Стоит отметить, что использование подобных ЗУ требовало обязательного участия оператора, информация записывалась один раз, а надежность носителя оставляла желать много лучшего.

С течением времени увеличивались требования к быстродействию, емкости и удобству работы с ЗУ. Перфокарты и перфоленты даже с учетом постоянного совершенствования устройств чтения/записи уже не могли удовлетворить растущие запросы пользователей ЭВМ. Главным препятствием становилась изначально присущая им одноразовость носителя информации. Появление новых, более эффективных принципов хранения информации стало началом конца эры физических носителей, к которым в компьютерной терминологии относятся перфокарты и перфоленты.

2.2. Магнитные карты, ленты и барабаны

В середине XX века был предложен новый метод хранения информации в ЭВМ, основанный на магнитной записи (ЭВМ второго поколения – 1959-1963 гг.)

Суть его вкратце состоит в том, что рабочая поверхность носителя изготавливается из специального материала - ферромагнетика. Если воздействовать на него внешним магнитным полем, то после прекращения воздействия проявляется остаточная намагниченность вещества. Ее-то и регистрируют затем считывающие устройства. Чтение/запись информации производятся специальной магнитной головкой, перемещающейся относительно магнитного носителя.

Устройства, реализующие этот принцип, начали появляться с 1951 года. Некоторые из них дожили и до нашего времени – стримеры, жесткие диски, флоппи-драйвы, ZIP-драйвы.

Накопители на магнитных картах (НМК) по конструкции весьма напоминают накопители на перфокартах. Сама же магнитная карта представляет собой прямоугольный отрезок носителя с магнитным покрытием. Карты помещаются в специальное хранилище - магазин. При обращении к ЗУ специальное устройство осуществляет выбор или подачу из магазина заданной карты.

Информация на магнитную карту может быть записана неоднократно, то есть НМК относится к ППЗУ. Стандартная информационная емкость магнитной карты – 1 КБ. Считывание/стирание/запись информации производится с помощью магнитных головок и существенно выше, чем при работе с перфокартами.

В отличие от перфокарт и перфолент, магнитные карты хоть уже и не применяются в современных компьютерах, но используются в других областях, например в качестве кредитных или идентификационных карточек. Носителем информации в них является магнитная полоса. Правда сейчас они активно вытесняются смарт-картами и RFID-картами и в ближайшее время тоже канут в прошлое.

Накопители на магнитной карте использовались в ограниченном числе моделей машин, гораздо большее распространение получили их «родственники» - накопители на магнитной ленте (стримеры) и магнитных барабанах.

Магнитные ленты являются аналогом обычных музыкальных кассет. Устройство, обеспечивающее работу с магнитной лентой, называется стримером. Стримеры представляют собой лентопротяжный механизм, аналогичный магнитофонному.

Стример относится к устройствам с последовательным доступом к информации и характеризуется гораздо меньшей скоростью записи, поиска и считывания информации по сравнению с дисководами. Основное назначение стримеров - создание архивов данных, резервного копирования, надежное хранение данных.

Емкость современных стримеров может достигать нескольких гигабайт. Магнитные же барабаны (они больше всего похожи на современные магнитные диски с фиксированными головками) давали возможность произвольного доступа к данными, но были ограниченного размера.

2.3. Магнитные диски

Начиная с 1964 г. (ЭВМ третьего поколения) и в настоящее время всё шире используются накопители на сменных дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объём сменных дисков – от сотен Мб до нескольких Гб.

Рассмотрим основные виды магнитных дисков:

1. Гибкие магнитные диски, или флоппи-диски (floppy disk), являются наиболее распространенными носителями информации. По размеру различают гибкие диски 3,5" (дюйма), (3-х дюймовые) или больше. Диски называются гибкими потому, что пластиковый диск, расположенный внутри защитного конверта, действительно гнется. Именно поэтому защитный конверт изготовлен из твердого пластика. Диск покрывается сверху специальным магнитным слоем, который обеспечивает хранение данных. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.

Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов.

В настоящее время наибольшее распространение получили дискеты со следующими характеристиками: диаметр 3,5 дюйма (89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18.

Способ записи двоичной информации на магнитной среде называется магнитным кодированием. Он заключается в том, что магнитные домены в среде выстраиваются вдоль дорожек в направлении приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обычно устанавливается однозначное соответствие между двоичной информацией и ориентацией магнитных доменов.

Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy-disk drive), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 мин-1. В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

Для обращения к диску, установленному в дисководе, компьютер использует специальные имена. Как правило, дисководу для считывания информации с 3-х дюймового диска присваивается имя в виде латинской буквы с двоеточием [А:], а для 5-ти дюймового или второго 3-х дюймового - в виде латинской буквы с двоеточием [В:].

В последнее время появились трехдюймовые дискеты, которые могут хранить до 3 Гбайт информации. Они изготавливаются по новой технологии Nano2 и требуют специального оборудования для чтения и записи.

2. Жесткие магнитные диски, или "винчестеры", являются обязательным компонентом персонального компьютера. Жесткий диск – это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины – платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала (толщиной всего лишь в 1,1 мкм); эти пластины вместе с механизмом считывания и записи заключены в герметически закрытый корпус (модуль данных) внутри системного блока. Используется для постоянного хранения информации – программ и данных.

Аналогично гибким дискам:

• жесткий диск относится к классу носителей с произвольным доступом к информации;
• для хранения информации жесткий диск размечается на дорожки и секторы;
• для доступа к информации один двигатель дисковода вращает пакет дисков, другой устанавливает головки в место считывания/записи информации;

Жесткие диски имеют преимущества перед гибкими дисками по двум основным параметрам: объем жестких дисков существенно выше и колеблется от 10 до 100 Гб; у современных моделей скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 7200 об/мин, среднее время поиска данных 9 мс, средняя скорость передачи данных до 60 Мб/с. Для обращения к жесткому диску используется имя, заданное латинской буквой С:. В случае, если установлен второй жесткий диск, ему присваивается следующая буква латинского алфавита D:.

В компьютере предусмотрена возможность с помощью специальной системной программы условно разбивать один диск на несколько. Такие диски, которые не существуют как отдельное физическое устройство, а представляют лишь часть одного физического диска, называются логическими дисками. Логическим дискам присваиваются имена, в качестве которых используются буквы латинского алфавита [С:], [D:], [Е:], [F:] и т. д.

2.4. Оптические диски

Оптический диск представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей миллиметра.

Информация на диске представляется в виде последовательности впадин (углублений в диске) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска. На каждом дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Для сравнения — на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек. Емкость CD достигает 780 Мбайт. Информация наносится на диск при его изготовлении и не может быть изменена.

Компакт-диски обладают высокой удельной информационной емкостью, что позволяет создавать на их основе справочные системы и учебные комплексы с большой иллюстративной базой. Один CD по информационной емкости равен почти 500 дискетам. Cчитывание информации с CD происходит с достаточно высокой скоростью, хотя и заметно меньшей, чем скорость работы накопителей на жестком диске. CD просты и удобны в работе, имеют низкую удельную стоимость хранения данных, практически не изнашиваются, не могут быть поражены вирусами, c них невозможно случайно стереть информацию.

В отличие от магнитных дисков, компакт-диски имеют не множество кольцевых дорожек, а одну – спиральную, как у грампластинок. В связи с этим, угловая скорость вращения диска не постоянна. Она линейно уменьшается в процессе продвижения читающей лазерной головки к краю диска.

Для работы с оптическими дисками нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM, преобразующий последовательность углублений и выступов на поверхности CD-ROM в последовательность двоичных сигналов. Для этого используется считывающая головка с микролазером и светодиодом. Глубина впадин на поверхности диска равна четверти длины волны лазерного света. Если в двух последовательных тактах считывания информации луч света лазерной головки переходит с выступа на дно впадины или обратно, разность длин путей света в этих тактах меняется на полуволну, что вызывает усиление или ослабление совместно попадающих на светодиод прямого и отраженного от диска света.

Если в последовательных тактах считывания длина пути света не меняется, то и состояние светодиода не меняется. В результате ток через светодиод образует последовательность двоичных электрических сигналов, соответствующих сочетанию впадин и выступов на дорожке.

                  Профиль дорожки CD-ROM

Различная длина оптического пути луча света в двух последовательных тактах считывания информации соответствует двоичным единицам. Одинаковая длина соответствует двоичным нулям.

CD-R (Compact Disk Recorder)

CD-R является диском однократной записи емкостью 650 Мбайт. На этих дисках отражающий слой выполнен из золотой пленки. Между этим слоем  и основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные впадинам. Накопители CD-R , благодаря сильному удешевлению, приобретают все большее распространение.

CD-RW (Compact Disk ReWritable)

Более популярными являются накопители СD-RW, которые позволяют записывать и перезаписывать информацию. Дисковод СО-RW позволяет записывать и читать диски CD-R и СD-RW.

Сегодня почти все персональные компьютеры имеют накопитель CD-ROM. Но многие мультимедийные интерактивные программы слишком велики, чтобы поместиться на одном CD.

На смену технологии СD-ROM стремительно идет технология цифровых видеодисков DVD. Эти диски имеют тот же размер, что и обычные CD, но вмещают до 17 Гбайт данных, т.е. по объему заменяют 20 стандартных дисков CD-ROM.

В отличие от СD-RОМ, диски DVD записываются с обеих сторон. Более того, с каждой стороны могут быть нанесены один или два слоя информации. На таких дисках выпускаются мультимедийные игры и интерактивные видеофильмы отличного качества.

  2.5. Магнитооптические диски

Магнитооптические накопители (Magneto-Optical) представляют собой накопитель информации, в основу которого положен магнитный носитель с оптическим управлением. Поверхность магнитооптического диска покрыта сплавом, свойства которого меняются как под воздействием тепла, так и под воздействием магнитного поля. Если нагреть диск сверх некоторой температуры, то становится возможным изменение магнитной поляризации посредством небольшого магнитного поля, На этом свойстве основаны технологии чтения записи магнитооптических  дисков. МО диски могут быть односторонними 3,5” емкости 128, 230, и 640 Мб. Двухсторонними 5,25” емкостью 600 Мб. – 2,6 Гб.  2,5” диски Mini Disk Data фирмы Sony, созданы специально для аудиоустройств, имеют емкость 140 Мб. 12” диски для однократной записи емкостью 3,5 – 7 Гб. Большое распространение получили при построении оптических библиотек.

Заключение

        Итак, современный персональный компьютер обязательно использует дисковод гибкого диска и дисковод жесткого диска. При необходимости доступа к большому количеству информации персональный компьютер оснащается дисководом с оптическим диском.

        Накопители на жестких магнитных дисках еще долго останутся основными ВЗУ, так как стоимость записи на них намного ниже, чем у оптических дисков, которые могут составить конкуренцию по объему записываемой информации.

        Различные способы хранения и записи информации служат для разных целей, на сегодняшний день не существует универсального ВЗУ,  которое может быть использовано как постоянное и переносное одновременно, и при этом быть доступным рядовым пользователям. Еще долго нам предстоит слушать скрипение жесткого диска и разгребать стол, заваленный компакт дисками, хотя никто не знает что еще может изобрести человек.

Литература

1. www.boomaga.ru

2. www.chgk.zaba.ru

3. www.buryttia.edy.ru

4. www.internet-school.ru