Память и хранилище — часть 1
- Память и хранилище. Часть 3. Спецификации шины
В современных типичных сетях существует множество различных форм хранения данных. Понимание этих методов хранения данных необходимо для понимания вашей сети. В этой серии статей я объясню некоторые из наиболее распространенных форм хранения данных, некоторые интересные перспективные технологии, а также расскажу о некоторых наиболее распространенных протоколах адресации памяти.
Магнитное хранилище
Жесткие диски, наиболее распространенная форма магнитного хранилища, хранят данные на пластинах в форме дисков. Эти пластины обычно изготавливаются из алюминия, стекла или керамики и покрываются ферромагнитным материалом, который часто представляет собой сплав кобальта. Это ферромагнитное покрытие позволяет головкам чтения/записи намагничивать небольшие участки пластины, которые представляют собой цифровой бит.
Фигура 1: Жесткий диск предоставлен www.samsung.com
Пластины, да их на винчестере больше одной, разделены проставками на одном шпинделе. Этот шпиндель управляется двигателем, который может вращать пластины. Скорость этого двигателя постоянна и является скоростью, заявленной как скорость жесткого диска.
Головки чтения/записи, по одной на каждую сторону пластины, прикреплены к одному рычагу привода. Рычаг привода управляется серводвигателем, который может синхронно перемещать головки ближе или дальше от шпинделя.
Существует два способа записи данных на пластину: продольный и перпендикулярный. Продольный — это традиционный способ записи данных на пластину. Вы можете думать о битах как о стержневом магните, лежащем плоско на поверхности диска, конец к концу. Вы легко можете себе представить, что эти регионы могут занимать довольно много места. Вот почему производители жестких дисков работают над уменьшением размера этих областей. В настоящее время мы приближаемся к пределу того, как маленькие инженеры могут создавать эти регионы. Это связано с суперпарамагнитным эффектом. По сути, этот эффект описывает, как случайные тепловые эффекты могут изменить полярность очень маленького магнита. На жестком диске, если полярность одной из намагниченных областей меняется, это будет означать, что данные меняются с «1» на «0». Это плохо.
Перпендикулярная технология записи может позволить инженерам упаковать больше данных на той же площади пластины, не беспокоясь о суперпарамагнитном эффекте для областей аналогичного размера. Если вы снова представите стержневые магниты, должно быть очевидно, почему вы можете разместить больше из них в той же области, когда они стоят на концах, то есть перпендикулярно. Чуть менее очевидно, почему им не нужно беспокоиться о суперпарамагнитном эффекте. В основном это связано с тем, что направление магнитных полей изменилось, и поэтому они по-разному реагируют со своими соседями. Эта реакция важна для определения того, имеет ли место суперпарамагнитный эффект.
Подобно жестким дискам, ленточные накопители хранят биты за счет поляризации небольшой магнитной области. Существует два основных типа ленточных накопителей: линейные и винтовые.
Линейные ленточные накопители имеют линейные дорожки. На ленте несколько десятков дорожек, которые тянутся от одного конца ленты к другому. Каждая дорожка состоит из множества небольших магнитных областей, которые можно использовать для представления «1» или «0».
Спиральные ленты имеют дорожки, которые проходят по диагонали вверх и вниз по ленте. Это означает, что дорожки будут перекрывать друг друга. Обычно это было бы плохо; однако в этом типе ленточного накопителя используются две записывающие головки, каждая из которых использует противоположную поляризацию, что позволяет считывающим головкам различать дорожки. Это позволяет увеличить емкость ленты.
Полупроводниковая память
Одним из наиболее распространенных типов полупроводниковой памяти является ОЗУ, показанное ниже на рисунке 2. Существует два основных типа ОЗУ: статическая и динамическая. Статическая RAM или SRAM хранит данные в наборе из 6 транзисторов, обычно называемом триггером. Динамическое ОЗУ или DRAM хранит данные в конденсаторах, которые требуют постоянного обновления, и это причина, по которой DRAM теряет данные при отключении питания. Преимущество DRAM в том, что для каждого бита требуется только один транзистор и один конденсатор. Это дает очень большую емкость памяти по сравнению с микросхемой SRAM аналогичного размера. Преимущество SRAM в том, что транзисторы не требуют обновления и реагируют быстрее, чем конденсаторы.
Фигура 2: Оперативная память предоставлена www.kingston.com
Другой формой полупроводниковой памяти, набирающей популярность, является флэш-память. Существует два основных типа флэш-памяти: NOR и NAND. ИЛИ (не ИЛИ) относится к логическому элементу ИЛИ, а НЕ-И (не И) относится к логическому элементу НЕ-И.
Логические элементы И-НЕ и ИЛИ-НЕ состоят из набора транзисторов и не содержат конденсаторов. Это означает, что они не требуют обновления и, следовательно, сохраняют данные, когда питание больше не подается.
Рисунок 3: USB-накопитель с сайта www.sandisk.com
Хотя и NAND, и NOR Flash в некоторых отношениях похожи, они также сильно различаются. Флэш-память NAND, являющаяся технологией последовательного доступа, лучше подходит для хранения данных. Флэш-память NOR — это технология произвольного доступа, которая лучше подходит для хранения программ, занимающих мало памяти. Флэш-память NOR обычно используется в таких приложениях, как запуск операционной системы мобильного телефона. Флэш-память NAND обычно используется в таких приложениях, как карты памяти USB. Согласно сайту www.appleinsider.com, новый iPhone от Apple использует флэш-память NOR и NAND.
Оптическая память
Наиболее распространенным типом оптического накопителя является компакт-диск. Компакт-диски изготавливаются из литого под давлением поликарбонатного пластика с микроскопическими выпуклостями, иногда называемыми ямками, расположенными по непрерывной спирали вокруг диска. Именно эти выпуклости представляют данные. Поверх этого поликарбоната нанесен тонкий слой отражающего материала, обычно алюминия или золота, а поверх него — акриловый слой для защиты диска.
При чтении компакт-диска лазер проходит через слой поликарбоната и отражается от отражающего материала. Отраженный лазерный свет, в свою очередь, обнаруживается оптическим датчиком, который преобразует полученный лазерный сигнал в электричество. В зависимости от того, был ли лазер сфокусирован на выпуклости или нет, электрический сигнал будет разным, потому что отраженный лазерный свет будет разным. Разница в электрических сигналах заключается в том, как компьютер может считывать данные с компакт-диска. Так обстоит дело с обычными компакт-дисками, но как насчет записи данных на диски CD-R и CD-RW?
CD-R похож на компакт-диск по своей конструкции, за исключением двух ключевых аспектов. Во-первых, нет люфтов. Во-вторых, между поликарбонатом и отражающим алюминием находится слой прозрачного красителя. Чтобы сохранить данные на CD-R, пишущий лазер фокусируется на нужной части спирали (которой на самом деле не существует, пока вы не создадите ее путем записи данных) и нагревает краситель. Химические свойства красителя таковы, что при нагревании до достаточно высоких температур изменяется его степень непрозрачности. Таким образом, пишущий лазер может перемещаться по спирали и изменять непрозрачность небольших областей, эта разница в непрозрачности позволяет создать «1» или «0». Затем данные считываются с CD-R так же, как с компакт-диска. Конечно, CD-R можно записать только один раз. Это потому, что, сделав краску непрозрачной, вы не сможете сделать ее прозрачной. А как же CD-RW? В CD-RW используется другой краситель, который вначале непрозрачен, а при нагревании становится прозрачным. Этот краситель также обладает удивительным свойством превращаться в непрозрачный при нагревании до еще более высокой температуры. Это позволяет стереть данные, ранее записанные на диск.
Рисунок 4: Изображение бугорков на DVD предоставлено www.optics.rochester.edu.
DVD работают точно так же, как компакт-диски. DVD-диски могут хранить больше данных, потому что на них много тонких компакт-дисков, уложенных друг на друга. То есть они сделаны из нескольких слоев поликарбоната и светоотражающего материала. Лазеры и оптические датчики также более совершенны, поскольку лазер может проходить через различные слои, а оптический датчик может обнаруживать все эти различные слои.
Это некоторые из наиболее распространенных методов хранения данных. Следите за моей следующей статьей, где я буду обсуждать некоторые более новые, более продвинутые технологии, такие как изменение импульса и голографическая память.
- Память и хранилище. Часть 3. Спецификации шины