Обзор технологий хранения информации
Часть 1. Принципы работы и классификация ЗУ

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 информации на носитель (полиграфия) вызвало настоящий информационный бум.

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

В этом цикле статей я попытаюсь сделать обзор различных методов и технологий хранения информации, применявшихся в вычислительной техники с момента появления первых компьютеров и до нашего времени.

Что такое память

Систему называют запоминающим устройством (ЗУ), если она обладает способностью воспринимать и сохранять информацию, а затем при определённых 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.

Основные характеристики ЗУ

Важнейшими характеристиками ЗУ являются информационная ёмкость и быстродействие.

Информационная ёмкость ЗУ определяется количеством единиц информации, которое может храниться в нём. 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.

Классификация ЗУ

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

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 в ППЗУ (на порядки меньшая, чем в ОЗУ) и высокая стоимость устройств ППЗУ. С развитием технологий, себестоимость устройств ППЗУ постоянно снижается, а скорость работы возрастает. Возможно скоро мы увидим компьютеры, работающие на совсех других принципах, по крайней мере информация о новых видах памяти, призванных заменить собой все существующие, время от времени появляется. – Прим. автора). По большей части ПЗУ и ППЗУ используются для хранения внешних данных – отсюда еще их одно собирательное название - ВЗУ (внешние запоминающие устройства)

По методу адресации запоминающие устройства делятся в основном на устройства с последовательной и произвольной выборкой (доступом). Последовательная и произвольная адресация далеко не единственно возможные методы доступа к информации, например, можно упомянуть так называемые ЗУ с ассоциативной выборкой, но они достаточно экзотичны, поэтому мы на них останавливаться не будем.

В ЗУ с последовательным доступом для нахождения ячейки памяти с записанной информацией необходимо последовательно просмотреть все ячейки от начала массива памяти и до нужного нам адреса. Время доступа к произвольной ячейке памяти, таким образом, напрямую зависит от адреса ячейки.

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.

И, наконец, по физическим принципам работы все ЗУ делятся на физические, магнитные, оптические, полупроводниковые устройства. Опять-таки, это не полный перечень типов памяти, но устройства, использующие другие принципы хранения информации пока еще (или уже) не получили "прописки" в массовой компьютерной технике.

Мы в этом цикле рассмотрим виды памяти следующим образом:

Часть II. Запоминающие устройства с последовательным доступом
Часть III. Жесткие диски
Часть IV. Устройства магнитной записи со съемным носителем (FDD, ZIP, JAZZ). Магнитооптические устройства.
Часть V. Оптические ЗУ (CD/DVD)
Часть VI. Флэш-память
Часть VII. ОЗУ и кэш-память
Часть VIII. Экзотические виды памяти. Перспективные разработки

Продолжение следует

Обсудить на форуме