Магнитные цифровые носители информации

Магнитные цифровые носители информации

Главная | Информатика и информационно-коммуникационные технологии | Планирование уроков и материалы к урокам | 10 классы | Планирование уроков на учебный год (по учебнику Н.Д. Угриновича, профильный уровень) | §1.3. Внешняя (долговременная) память

1.3.1. Магнитная память

Магнитный принцип записи и считывания информации

Гибкие магнитные диски

Жесткие магнитные диски

Контрольные вопросы

1.3.2. Оптическая память
1.3.3. Флэш-память

Магнитная память

Магнитный принцип записи и считывания информации

Основной функцией внешней памяти компьютера является долговременное хранение большого объема 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, дисках).

Магнитный принцип записи и считывания информации. В накопителях на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопителях на жестких магнитных дисках (НЖМД), или «винчестерах», в основу записи информации положено намагничивание ферромагнетиков в магнитном поле, хранение информации основывается на сохранении намагниченности, а считывание информации базируется на явлении электромагнитной индукции.

В процессе записи информации на гибкие и жесткие магнитные диски головка дисковода с сердечником из магнитомягкого материала (малая остаточная намагниченность) перемещается вдоль магнитного слоя магнитожесткого носителя (большая остаточная намагниченность). На магнитную головку поступают последовательности электрических импульсов (последовательности логических единиц и нулей), которые создают в головке магнитное поле. В результате последовательно намагничиваются (логическая единица) или не намагничиваются (логический нуль) элементы поверхности носителя.

При считывании информации при движении магнитной головки над поверхностью носителя намагниченные участки носителя вызывают в ней импульсы тока (явление электромагнитной индукции). Последовательности таких импульсов передаются по магистрали в оперативную память компьютера.

В отсутствие сильных магнитных полей и высоких температур элементы носителя могут сохранять свою намагниченность в течение долгого времени (лет и десятилетий).

Следующая страница Гибкие магнитные диски

Cкачать материалы урока

Дискета

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 1990-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 от английского floppy-disk).

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 — дисковода (флоппи-дисковода).Дискеты обычно имеют функцию защиты от записи, посредством которой можно предоставить доступ к данным только в режиме чтения. Первая дискета была сконструирована в 1950 году сотрудником Токийского университета Йосиро Накамацу. Дискету, которая используется в компьютерах, он изобрел, когда ему было 24 года, и все права на её изготовление и использование купила компания «IBM», всего было куплено компанией у Йосиро Накамацу 16 лицензий.

Хронология возникновения форматов дискет

1971 — Первая дискета диаметром в 200 мм (8″) с соответствующим дисководом была представлена фирмой IBM. Обычно само изобретение приписывается Алану Шугерту, работавшему в конце 1960-х годов в IBM.
1973 — Алан Шугерт основывает собственную фирму Shugart Associates.
1976 — Алан Шугерт разработал дискету диаметром 5,25″.
1978 — фирма TEAC представляет первый в мире дисковод для чтения 5,25″-дискет.
1981 — Sony выводит на рынок дискету диаметром 3,5″ (90 мм). В первой версии объём составляет 720 килобайт (9 секторов). Поздняя версия имеет объём 1440 килобайт или 1,40 мегабайт (18 секторов). Именно этот тип дискеты становится стандартом (после того, как IBM использует его в своём IBM PC).Позже появились так называемые ED-дискеты (от англ. Extended Density — «расширенная плотность»), имевшие объём 2880 килобайт (36 секторов), которые так и не получили широкого распространения.

Жесткий Диск

Накопитель на жестком диске относится к наиболее совершенным и сложным устройствам современного персонального компьютера. Его диски способны вместить многие мегабайты информации, передаваемой с огромной скоростью. В то время как почти все элементы компьютера работают бесшумно, жесткий диск ворчит и поскрипывает, что позволяет отнести его к тем немногим компьютерным устройствам, которые содержат как механические, так и электронные компоненты. Основные принципы работы жесткого диска мало изменились со дня его создания. Устройство винчестера очень похоже на обыкновенный проигрыватель грампластинок. Только под корпусом может быть несколько пластин, насаженных на общую ось, и головки могут считывать информацию сразу с обеих сторон каждой пластины. Скорость вращения пластин (у некоторых моделей она доходит до 15000 оборотов в минуту) постоянна и является одной из основных характеристик. Головка перемещается вдоль пластины на некотором фиксированном расстоянии от поверхности. Чем меньше это расстояние, тем больше точность считывания информации, и тем больше может быть плотность записи информации. Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидите только прочный металлический корпус. Он полностью герметичен и защищает дисковод от частичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой и поверхностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагнитных помех. Внутри корпуса находятся все механизмы и некоторые электронные узлы. Механизмы — это сами диски, на которых хранится информация, головки, которые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие все это в движение. Диск представляет собой круглую пластину с очень ровной поверхностью чаще из алюминия, реже — из керамики или стекла, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Диски изготовлены. Во многих накопителях используется слой оксида железа (которым покрывается обычная магнитная лента), но новейшие модели жестких дисков работают со слоем кобальта толщиной порядка десяти микрон. Такое покрытие более прочно и, кроме того, позволяет значительно увеличить плотность записи. Технология его нанесения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем.

Первый жесткий диск

Что представлял собой первый накопитель на магнитных дисках? Первый жесткий диск был огромным шкафом, в котором находился пакет из 50 большущих пластин диаметром 24 дюйма (более 60 см) каждая.

Диск носил имя RAMAC (Random Access Method of Accounting and Control) и был разработан в лаборатории IBM в калифорнийском городе Сан-Хосе (позднее ставшем сердцем Силиконовой долины). Пластины диска были покрыты «краской» из магнитного оксида железа — подобной той, что использовалась при строительстве знаменитого на весь мир моста Golden Gate в Сан-Франциско.

Информационная емкость этого гиганта составляла 5 Мбайт (5 млн. байт), что по нынешним понятиям кажется смешной цифрой, но тогда это был High-End сегмента Enterprise. 😉 Пластины были смонтированы на вращающемся шпинделе, а механический кронштейн (один!) содержал головки чтения и записи и перемещался вверх-вниз на вертикальном стержне, причем время доставки головки до нужной магнитной дорожки составляло менее одной секунды.

Как видим, данная концепция во многом послужила прототипом для всех последующих жестких дисков — вращающиеся жесткие пластины («блины») с магнитным покрытием, концентрические дорожки записи, быстрый доступ к любой случайно выбранной дорожке (см. название RAMAC). Только теперь для каждой магнитной поверхности используется отдельная пара головок чтения-записи, а не общие на весь диск. Метод быстрого доступа к произвольному месту носителя (random access) произвел настоящую революцию в устройствах хранения, поскольку по сравнению с главенствующими тогда магнитными лентами позволял резко увеличить производительность при доступе. Один такой RAMAC весил почти тонну (971 кг) и сдавался в аренду по цене 35 000 долларов в год (тогда это равнялось стоимости 17 новых легковых автомобилей)!

IBM 3340

Следующим знаковым шагом IBM на этом поле стало создание накопителя IBM 3340. Этот «шкафчик» был уже меньше (высотой около метра),
и во время своего появления в июне 1973 году рассматривался как научное «чудо». При плотности магнитной записи 1,7 Мбит на квадратный дюйм он оснащался маленькими аэродинамическими головками (то есть головки впервые стали «парить» над вращающейся магнитной поверхностью под действием аэродинамических сил) и герметичной «коробкой» («банкой»), в которой помещались пластины с головками. Это защищало диски от пыли и загрязнений и позволяло кардинально уменьшить рабочее расстояние между головкой и пластиной (высоту «полета»), что привело к существенному росту плотности магнитной записи. IBM 3340 по праву считают отцом современных жестких дисков, поскольку именно на этих принципах они и строятся. Данные накопители имели несменяемую емкость 30 Мбайт плюс столько же (30 Мбайт) в сменном отсеке.

Deskstar 16GB

В середине 90-х годов прошлого века IBM предложила еще как минимум две революционные технологии, которыми сейчас пользуются все производители жестких дисков. Во-первых, это магнитные головки на гигантском магниторезистивном эффекте (так называемые GMR heads, впервые появившиеся в дисках серии Deskstar 16GP в 1997 году), что позволило резко увеличить плотность записи (до 2,7 Гбит/кв.дюйм) и в последующее десятилетие наращивать плотность записи порой даже быстрее, чем «по закону Мура». 🙂 Об этом я писал не раз, поэтому повторяться не стану. А во-вторых, это так называемый No-ID sector format (новый способ форматирования магнитных пластин), позволяющий увеличить плотность еще на 10%. Это также сейчас используется уже всеми производителями.
Примерно тогда же стали резко возрастать скорости вращения магнитных пластин 3,5-дюймовых винчестеров — диски для ПК дружно «пошустрели» до 5400, а затем и до 7200 об./мин. (последнее — стандарт уже в течение десятилетия), а диски сегмента Enterprise раскрутились до 10 000, а затем и до 15 000 об./мин. Кстати, тоже не без помощи IBM, хотя Seagate считает, что именно она сделала первый в индустрии пятнадцатитысячник.

Первый Жесткий диск на 500 гб

Полувековой юбилей жесткого диска индустрия отметила и еще одним замечательным достижением — впервые за 50 лет появились накопители, которые используют иной принцип магнитной записи, чем был применен в RAMAC. А именно — перпендикулярную магнитную запись (PMR), когда магнитные домены ориентированы не вдоль, а поперек тонкой магнитной пленки на поверхности пластины. Hitachi GST продемонстрировала перпендикулярную магнитную запись еще в апреле 2005 года на образцах с плотностью записи 233 Гбит на кв. дюйм. Поперечная ориентация магнитных доменов в тонкой пленке (хотя и несколько более толстой, чем для аналогичных моделей с продольной записью) существенно увеличивает стабильность хранения информации, что необходимо для преодоления последствий так называемого суперпарамагнитного эффекта. Правда, не Hitachi или Toshiba, а Seagate стала первой компанией, которая выпустила в продажу первые накопители с PRM зимой 2006 года. Зато Hitachi оснастила свои первые PRM-диски, вышедшие летом 2006 года, уже вторым поколением PMR-технологии. Впрочем, отдавая дань времени, отметим, что для RAMAC рассматривалась как продольная, так и перпендикулярная магнитная запись, и тогда было отдано предпочтение продольной, что и определило развитие отрасли на целые полвека! 🙂
Теоретически PMR способна поднять плотность магнитной записи до 500 Гбит на кв. дюйм (это примерно 500 Гбайт для емкости 2,5-дюймового винчестера). Дальнейшие же планы по наращиванию плотности магнитной записи в Hitachi связывают с технологией так называемой patterned media (когда пленка исходно «гранулирована» до нужного уровня плотности записи), что позволит повысить емкость носителей еще на порядок. Далее придет очередь термически-активируемой магнитной записи с оцениваемым пределом плотности до 15 000 Гбит на кв. дюйм, что продлит жизнь накопителей на магнитных дисках года так до 2020-го, а то и дольше.

Спасибо за внимание! Статью подготовил Зинченко Николай.

Катушечные магнитофоны и бобинники: краткая энциклопедия

Пусть катушечные магнитофоны и лента переживают сегодня не такой буйный ренессанс, как винил и проигрыватели грампластинок, однако общий интерес к аналоговой записи привел к тому, что оборудование и записи данного формата сегодня пользуются огромной популярностью. В данной статье мы расскажем историю возникновения, расцвета и постепенного увядания катушечных магнитофонов или «бобинников», как их называли у нас в стране. И коснемся темы ренессанса ленты.

Магнитная запись

Говоря об истории магнитной записи и катушечных магнитофонах, нужно разделять сам формат катушек (Reel to reel / Reel-to-reel или R2R) и магнитную ленту. Бобинные магнитофоны появились еще в 1920-х годах, однако в качестве носителя в них использовалась не хорошо известная нам пластиковая лента с магнитным слоем, а стальная проволока или стальная лента. Последняя была довольно хрупкой и ломкой, а вес каждой катушки был таков, что требовал недюжинных усилий при установке ее на шпиндель. Кроме того, качество записи и воспроизведения оставляло желать лучшего.

Первый магнитофон, в котором появилась привычная нам магнитная лента (Reel to reel или R2R), был продемонстрирован в 1935 году компанией AEG и так и назывался – Magnetophon K1. В первых образцах использовалась бумажная лента с нанесенным на нее слоем оксида железа, в более поздних образцах уже появилась подложка из поливинилхлорида – более прочная и удобная в обращении. Сам принцип магнитной записи на ленту был разработан совместными усилиями BASF и AEG.

Первая запись музыкального произведения на магнитофон состоялась в 1936 году, это было исполнение 39 симфонии Моцарта Лондонским симфоническим оркестром под управлением Томаса Бичема. Запись была произведена во время турне по Германии. Надо сказать, что результат оказался разочаровывающим, кроме того, покрытие ленты было выполнено по формуле Fe3O4, которая уже в 1939 году была заменена на вариант Fe2O3. Именно он стал окончательным стандартом для звукозаписи до появления в 1970-х годах пленки с диоксидом хрома.

Любопытно отметить, что до окончания Второй мировой войны пленочные магнитофоны оставались внутренним продуктом для немецкого рынка и играли важную роль в радиовещании, а в других странах их разработка и производство начались только после 1945 года на основе трофейных образцов. Так, в США первый серийный магнитофон Ampex Model 200 появился только в 1948 году, а в Британии компания EMI выпустила модель BTR (British Tape Recorder) в 1947 году.

Качество записи

Первые образцы пленочных магнитофонов демонстрировали невысокое качество записи и воспроизведения, и ситуация изменилась только с добавлением в конструкцию возможности постоянного подмагничивания, причем данная особенность была открыта инженерами AEG совершенно случайно. Они получили в ремонт якобы неисправный аппарат, который, на удивление, отличался значительно лучшим качеством записи. Выяснилось, что причиной этого был переменный ток подмагничивания, случайно попадавший на записывающие головки. С тех пор именно такое решение стало использоваться во всех катушечных магнитофонах, и до настоящего времени записанные на студиях катушки с аналоговыми версиями популярных альбомов остаются лучшими по качеству звука версиями, доступными меломанам.

Само собой, первые модели магнитофонов были монофоническими, двухканальные записи и аппараты для их воспроизведения стали появляться только по мере развития стереофонии в конце 1940-х – начале 1950-х годов. Именно в эти годы началось широкое распространение формата магнитной записи на потребительском рынке, с которого он начал вытесняться после появления компакт-кассет в 1963 году. Тем не менее, поклонники качественного звука оставались — и остаются по сей день — верны катушкам.

Музыка на катушках

Первые катушки с записью (Reel to reel или R2R) появились в продаже в 1949 году в США, однако ассортимент был невелик. Основными лейблами, выпускавшими альбомы на ленте, были EMI и RCA Victor. В 1955 году в продаже впервые появились стереофонические записи на катушках. Несмотря на то, что качество звука альбомов, записанных на пленке, превосходило таковое виниловых аналогов, важную роль сыграла цена. Катушки стоили дороже пластинок, поэтому продажи были невысоки. Звездный час формата пришелся на 1960-е годы, однако, как уже было отмечено, появление компакт-кассет положило конец главенству катушек в качестве главного формата записи.

Тем не менее, с 1970-х и по сей день небольшие специализированные аудиофильские фирмы продолжают выпускать небольшой ассортимент альбомов на катушках, правда, цены на них стали совсем заоблачными – от 250 долларов США и выше. Мы неоднократно рассказывали о том, где и какой ассортимент музыки на катушках можно приобрести. Однако использование катушечных магнитофонов и ленты в студиях звукозаписи продолжалось непрерывно многие десятилетия, поскольку только этот формат гарантировал обеспечение нужного качества, и по сегодняшний день понятие «мастер ленты» означает его ультимативный уровень.

Форматы ленты

За все время существования катушек и ленты было испробовано множество сочетаний ширины ленты и скорости записи и воспроизведения. Общее правило такового – чем шире лента и чем выше скорость вращения при записи, тем лучше для качества. Однако слишком высокая скорость привела бы к чрезмерному расходу ленты, поэтому существует несколько компромиссных вариантов, устоявшихся за долгие годы. Скорость записи традиционно измеряется в дюймах/секундах (ips или inch per second), то есть цифры слева от единицы измерения означают, сколько дюймов ленты проходит отметку за 1 секунду. Метрическая система, при которой скорость измерялась в сантиметрах в секунду, применялась в Германии, однако в международной практике наибольшее распространение получила именно скорость в ips. И прежде всего потому, что основной вклад в развитие формата после ВМВ внесли именно США.

Основными скоростями, используемыми для профессиональной высококачественной записи в студиях, были 15 ips и 30 ips. Все, что ниже, это уже более серьезный компромисс по качеству. Достаточно сказать, что для домашней техники максимальным значением скорости было 7,5 ips, а стандартной скоростью для компакт-кассет была 1 7/8 ips. С учетом малой ширины ленты в кассетах, можно представить, насколько ниже потенциал данного формата. Коммерческие релизы записанных на студии альбомов выпускались для воспроизведения на скоростях 3,75 ips и 7,5 ips.

Стандартная ширина ленты, использовавшейся в домашних системах, была ¼ дюйма или 6,4 мм. В то же время на студиях в ходу были гораздо более широкие ленты, применявшиеся для многодорожечной записи, их размер доходил до 2-х дюймов (51 мм). Стоимость катушек с такой лентой достигала нескольких сотен долларов за штуку.

Что касается состава самой ленты, то, как говорилось, помимо магнитного слоя на основе оксида железа использовался также вариант из диоксида хрома, обеспечивавший более высокое качество звука, но более дорогой в производстве. Наиболее качественная подложка изготавливалась из майларовой пленки, она устойчива к растягиванию и дольше сохраняет свои свойства.

Цифровая запись на ленту также была очень популярна одно время, причем формат записи позволял избавиться от многих недостатков аналогового варианта, таких как шум ленты, спад на ВЧ, неравномерность вращения, и так далее. Правда, при этом необходимость проматывать катушку для доступа к нужному формату все равно сохранялась, а малейшее загрязнение поверхности ленты, не игравшее большой роли при аналоговой записи, в цифровом формате приводило к выпадению целых фрагментов. Поэтому серьезным прорывом запись на ленту в цифре не стала, тем не мене, магнитофоны формата DASH (Digital Audio Stationary Head) до сих пор можно встретить в студиях звукозаписи.

Катушечные магнитофоны или бобинники

Этот вид воспроизводящих устройств имеет множество названий – магнитофоны, катушечники, бобинники, однако общим для них является использование в качестве носителя катушек с лентой. За долгое время существования формата было выпущено огромное множество моделей, причем самого разного уровня – от бытовых и простых до профессиональных, со сложными двигателями и электронными системами управления.

Как уже было отмечено выше, развитие рынка бытовых магнитофонов началось после Второй мировой войны, первые модели появились на рынке в 1947-48 годах. Однако пика своей популярности и качества катушечники достигли в 1960-70-х годах, когда на рынке появились такие знаменитые и популярные аппараты как Revox A77 и Pioneer RT-909. Студийные «монстры» типа Studer A820 и Ampex ATR-102 лишь недавно перекочевали из аппаратных в системы класса High End, где взяли на себя роль ультимативных аналоговых источников сигнала. Бытовые же модели изначально выпускались больше в расчете покупателей, которым нужна была возможность записывать аудиосигнал с микрофона. И только по мере вытеснения катушек с этого рынка компакт-кассетами производители начали делать ставку на аудиофилов и фанатов High Fidelity.

Есть еще две категории, на которые подразделяются бобинники в зависимости от требований к эксплуатации – это полные магнитофоны и деки. Различие заключается в том, что в первых есть встроенный усилитель мощности, а во вторых он отсутствует, и для получения высокого уровня сигнала понадобится участие внешнего усилителя.

В отличие от проигрывателей винила катушечный магнитофон не столь прихотлив к окружению – создавать тепличные условия в виде механически развязанных от пола и стен полок для него необязательно, однако с точки зрения настройки повозиться с бобинником придется не меньше. Ведь помимо юстировки (установки правильной геометрии) записывающих и воспроизводящих головок надо будет также следить за их чистотой, плюс иногда подстраивать ток подмагничивания. Не говоря уже о необходимости соблюдения чистоты всего лентопротяжного механизма. Вообще, как и винил, катушки и средства для их записи и воспроизведения обычно вызывают у аудиофилов сильную привязанность, которая связана не только с тем, что они обеспечивают великолепное качество звука, но и с тем, что требуют к себе много внимания. А уж что говорить о внешнем виде работающего магнитофона со светящимися стрелочными индикаторами и клавишами!

Напоследок мы перечислим наиболее заметные модели катушечных магнитофонов европейского, американского и японского производства, не забыв и про лучшие образцы советской промышленности:

AKAI GX-77

Revox A77

Studer A820

Pioneer RT-909

Technics RS-1506 US

Otari MX 5050 BII

Ampex ATR-102


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *