Устройства хранения информации — выбираем способ хранения данных и важной информации

Функции памяти

Компьютерная память обеспечивает поддержку одной из функций современного компьютера, — способность длительного хранения информации. Вместе с центральным процессором запоминающее устройство являются ключевыми звеньями так называемой архитектуры фон Неймана, — принципа, заложенного в основу большинства современных компьютеров общего назначения.

Первые компьютеры использовали запоминающие устройства исключительно для хранения обрабатываемых данных. Их программы реализовывались на аппаратном уровне в виде жёстко заданных выполняемых последовательностей. Любое перепрограммирование требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации, перестройки блоков и устройств и т. д. Использование архитектуры фон Неймана, предусматривающей хранение компьютерных программ и данных в общей памяти, коренным образом переменило ситуацию.

Любая информация может быть измерена в битах и потому, независимо от того, на каких физических принципах и в какой системе счисления функционирует цифровой компьютер (двоичной, троичной, десятичной и т. п.), числа, текстовая информация, изображения, звук, видео и другие виды данных можно представить последовательностями битовых строк или двоичными числами. Это позволяет компьютеру манипулировать данными при условии достаточной ёмкости системы хранения (например, для хранения текста романа среднего размера необходимо около одного мегабайта).

К настоящему времени создано множество устройств, предназначенных для хранения данных, основанных на использовании самых разных физических эффектов. Универсального решения не существует, у каждого имеются свои достоинства и свои недостатки, поэтому компьютерные системы обычно оснащаются несколькими видами систем хранения, основные свойства которых обуславливают их использование и назначение.

Физические основы функционирования

В основе работы запоминающего устройства может лежать любой физический эффект, обеспечивающий приведение системы к двум или более устойчивым состояниям. В современной компьютерной технике часто используются физические свойства полупроводников, когда прохождение тока через полупроводник или его отсутствие трактуются как наличие логических сигналов 0 или 1. Устойчивые состояния, определяемые направлением намагниченности, позволяют использовать для хранения данных разнообразные магнитные материалы. Наличие или отсутствие заряда в конденсаторе также может быть положено в основу системы хранения. Отражение или рассеяние света от поверхности CD, DVD или Blu-ray-диска также позволяет хранить информацию.

Классификация

Иерархическая

В зависимости от назначения и особенностей реализации устройств компьютерной памяти, по-разному подходят и к вопросам их классификации.

Так, при рассмотрении удалённости и доступности памяти для центрального процессорного устройства различают: первичную, вторичную или третичную память.

Способность или неспособность к хранению данных в условиях отключения внешних источников питания определяют энергонезависимость или энергозависимость устройств хранения данных.

Особенности механизмов чтения-записи отличают устройства памяти только для чтения (ПЗУ), доступные для (WORM) или пригодные для полноценного выполнения операций чтения-записи. Порядок выборки определяет память произвольного или последовательного доступа с блочной или файловой адресацией.

Исторически сложилось так, что наименования конкретных устройств и типов памяти отражают (или даже не отражают вовсе) какую-либо их особенность, хотя исходно термин принадлежит к более широкому классу устройств. Общеизвестный пример такого рода — «микросхемой CMOS» в IBM PC называют энергонезависимое устройство, хранящее настройки BIOS и содержащее часы. Хотя по технологии CMOS могут быть изготовлены и многие другие части компьютера. Поэтому довольно часто к вопросу классификации подходят проще, например, различая устройства в зависимости от используемого типа носителя — полупроводниковая память, оптическая память, магнитооптическая память, магнитная память и т. п.

По возможности записи и перезаписи

Иногда память, содержимое которой не меняется в процессе штатной работы устройства по прямому назначению, называется ПЗУ (англ. Read-Only Memory, ROM ) по способу использования в устройстве, а не по внутреннему её устройству или организации (например, такую роль может выполнять дискета, флеш-карта или жёсткий диск, на которых установлена защита от записи). В этом случае изменение её содержимого может производиться и пользователем, например, в специальном режиме, в частности «обновление прошивки (англ. Upgrade firmware)», а также в сервис-центре или производителем оборудования на этапе производства.

В зависимости от возможности записи и перезаписи данных, устройства памяти подразделяется на следующие типы:

ЗУ с записью-считыванием (англ. read-write memory) — тип памяти, дающей возможность пользователю помимо считывания данных производить их исходную запись, стирание и-или обновление. К этому виду могут быть отнесены оперативная память, ОЗУ (англ. random access memory, RAM ), кэш-память (англ. cache memory), а также программируемое постоянное запоминающее устройство, ППЗУ (англ. programmable read only memory, PROM ).

Постоянное запоминающее устройство, ПЗУ — тип памяти ЗУ, предназначенный для хранения и считывания данных, которые никогда не изменяются. Запись данных на ПЗУ производится в процессе его изготовления, поэтому пользователем изменяться не может. Наиболее распространены ПЗУ, выполненные на интегральных микросхемах (БИС, СБИС) и оптических дисках CD-ROM и DVD-ROM.

Программируемое постоянное запоминающее устройство, ППЗУ — тип памяти, в котором возможна запись или смена данных путём воздействия на носитель информации электрическими, магнитными и-или электромагнитными (в том числе ультрафиолетовыми или другими) полями, часто под управлением специальной программы. Различают ППЗУ с однократной записью и стираемые ППЗУ (англ. EPROM, Erasable PROM), в том числе:

• Электрически программируемое ПЗУ, ЭППЗУ (англ. Electrically Alterable Read Only Memory, EAROM).
• Электрически стираемое программируемое ПЗУ, ЭСПЗУ (англ. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, англ. flash memory), отличающиеся высокой скоростью доступа и возможностью быстрого стирания данных.

Форма

Классификация устройств хранения информации по форме записи разделяет их все на две категории: аналоговые и цифровые. Первые в современном мире практически не используются. Ближайшим примером аналогового записывающего устройство является кассета для магнитофона, которая уже давно устарела. Тем не менее некоторые разработки ведутся и в этом направлении.

На данный момент уже есть несколько прототипов неплохих по емкости и скорости работы изделий такого типа, однако сравнительно с цифровыми устройствами они значительно проигрывают по стоимости производства. Стандартный жесткий диск для компьютера хранит информацию в виде единиц и нулей. Это цифровое записывающее устройство, как и подавляющее большинство современных изделий такого типа.

В основе их функционирования лежит принцип сохранения физического состояния носителя в одной из двух возможных форм (для двоичной системы). Сейчас применяются и более современные варианты, способные использовать троичный или даже десятичный вид записи. Это стало возможно благодаря использованию уникальных свойств разных материалов и появлению новых технологий записи данных на накопители. Человечество постепенно увеличивает объем возможной для сохранения информации с одновременным уменьшеним размера носителя.

Устойчивость записи

Классификация по этому показателю разделяет все устройства хранения и обработки информации на четыре группы:

• Оперативные записывающие (ОЗУ). Оператор получает возможность вносить новую информацию, считывать уже имеющуюся и работать с ней прямо в процессе функционирования. Пример – оперативная память компьютера. В ней хранится большая часть постоянно запрашиваемых данных, благодаря чему не требуется постоянно обращаться к основному жесткому диску. В большинстве случаев вся информация стирается с таких носителей после отключения подачи энергии.
• Перезаписываемые (ПППЗУ). Такие изделия позволяют записывать, стирать и вновь вносить данные практически неограниченное количество раз. Пример – CD-RW и стандартные жесткие диски. В любом компьютере такой памяти больше всего, и именно на ней хранится практически вся информация пользователя.
• Записываемые (ППЗУ). На таких устройствах данные можно сохранить только один раз. Невозможно перезаписать или удалить информацию, что и является самым главным минусом подобных изделий. Пример – диски CD-R. В современном мире используется крайне редко.
• Постоянные (ПЗУ). Этот тип устройств сохраняет единожды записанную информацию и не позволяет как-либо ее удалять или изменять. Пример – BIOS компьютера. В нем все данные остаются без изменений и пользовать получает возможность выбрать только другие настройки из перечня существующих. В отличие от ППЗУ, на такие носители все же можно вносить новые данные, но, как правило, это требует полного удаления старых. То есть BIOS можно переустановить, но не дополнить или обновить.

Энергонезависимость

Для работы компьютеру требуется электроэнергия, без которой выполнение всех действий было бы невозможным. Однако если бы каждый раз после выключения ПК данные обо всей проделанной работе стирались, то значение ЭВМ в нашей жизни было бы значительно меньшим. Так какие устройства хранения информации по потребности в питании существуют?

• Энергозависимые. Эти изделия работают только тогда, когда есть к ним подано электричество. К такому типу относят стандартные модули оперативной памяти DRAM или SRAM.
• Энергонезависимые. Для сохранения информации записывающие устройства не требуют питания. Пример – жесткий диск компьютера.

Оперативная память

Многие считают, что к устройствам хранения данных не относится ОЗУ. Это неправильное утверждение. Оперативная память является частью компьютерной памяти и хранит не файлы пользователя, а машинный код и данные, которые обрабатывает процессор. Как уже упоминалось ранее, это энергонезависимая память.

В большинстве современных компьютеров ОЗУ представлена модулями динамической памяти, которые предоставляют произвольный доступ. Стоит сразу сказать, что динамическая память на данный момент считается дешевле статической. Это связано с более плотным размещение ячеек на кристалле.

Динамическая память (DRAM) использует один конденсатор и транзистор. Поэтому этот тип считают и дешевле, и экономнее. Его недостатком считается медленная работа и проблемы с зарядкой конденсатора.

Статическая память (SRAM) имеет высокую скорость работы. Но из-за особой структуры ее стоимость высокая. Устройство не встречается в обычных ПК.

В домашнем компьютере можно найти модули динамической памяти. Выбирая ее, пользователь первым делом смотри на объем. Устройство хранения данных может иметь от 1 до 64 Гб. Для игровой системы многие выбирают вариант на 16 Гб. Причем он может быть реализован одним-двумя модулями или даже четырьмя.

Также особое внимание стоит уделить типу памяти. В зависимости от него она может работать быстрее. Самым последним считается DDR4 с диапазоном частот от 1600 до 3200 МГц. Это оптимальный вариант для современных систем. Хотя до сих пор некоторые отдают предпочтение устаревшей DDR3. Но скорее всего она скоро будет изъята из производства, поскольку все давно говорят о выходе DDR5.

Помимо рабочей частоты рекомендуется смотреть на показатели таймингов. Этот показатель характеризует время работы микросхем с банком. Чем меньше показатели, тем быстрее работает ОЗУ.

Тип доступа

Устройства хранения информации разделяются также и по этому показателю. По типу доступа память бывает:

• Ассоциативной. Используется редко. К таким изделиям можно отнести специальные устройства, которые используются с целью повышения скорости работы обширных массивов данных.
• Прямой. Полный и неограниченный доступ предлагается жесткими дисками, которые относятся к этому типу доступа.
• Последовательной. Сейчас практически не используется. Ранее применялся в магнитных лентах.
• Произвольной. По такому принципу работает оперативная память, предоставляющая пользователю возможность в произвольной форме получить доступ к последней информации, с которой работала система. Применяется для ускорения работы компьютера.

Устройства хранения

Устройство хранения информации состоит из следующих элементов:

• носитель информации;
• записывающее устройство — механизмы, выполняющие запись информации на носитель;
• считывающее устройство (устройство считывания) — механизмы, выполняющие считывание информации с носителя.

Накопитель информации — устройство хранения информации, способное выполнять дозапись поступающей информации к уже имеющейся.

Эти устройства могут быть основаны на самых разных физических принципах.

Если носитель информации мало распространён, должен быть защищён от внешних воздействий, или же требует сложной настройки, то он может доставляться потребителю в комплекте с устройством считывания/записи (например, музыкальная шкатулка, командоаппарат (электромеханический программатор) стиральной машины .

Ленточные накопители

Самая старая форма приводов, доступных на рынке. Ленточные накопители в основном используются компаниями, которые хранят большой объем архивных файлов, когда не нужно быстро получать к ним доступ. Жизненный цикл большинства цифровых ленточных накопителей составляет более 30 лет. Кроме того, не нужно беспокоиться о его поддержании. Это идеальное решение для резервного копирования.

Хотя сами ленты довольно дешевы, приводная система, необходимая для чтения и записи информации, дорога в обслуживании и сложна в управлении. Многие компании, использующие ответвительные диски для обеспечения отказоустойчивого восстановления после сбоев, предпочитают одну и ту же систему в течение многих лет и избегают перехода на более сложную технологию (или «облако») из-за затрат на миграцию и внедрение.

Карта памяти

Это еще один флеш-накопитель, о котором стоит рассказать отдельно. Это компактное внешнее устройство хранения данных, которые позволяет читать и записывать цифровую информацию. Несмотря на то, что многие из них построены на основе флеш-памяти, могут использовать совершенно другие технологии.

Карты памяти редко используют для резервного хранения данных и обмена между ПК. Из-за своих компактных размеров их можно потерять. Поэтому их стали использовать так, где нужно экономить место. Флеш-карты попали в фотоаппараты и камеры, смартфоны и планшеты, плееры и другие гаджеты.

В начале 1990-х годов появились PC Card, которые сейчас находятся в сетевых картах, модемах и жестких дисках. Цифровые фотоаппараты и телефоны нуждались в подобных карточках. Но лишь в 2001 году стали известны SM и CF. Уже через пару лет их заменили SD/MMC.

В 2013 году стали известны SDHC. Эти флеш-карты помимо чтения и записи данных позволяли передавать их сразу с одного устройства на другое, без подключения. Такому изобретению несказанно обрадовались фотографы, которым теперь не нужно было подключать фотоаппарат к ПК и переносить данные. Достаточно было использовать сеть Wi-Fi.

Хранение данных на оптических дисках CD, DVD, Blu-ray

Наверное, многие из вас сталкивались с информацией о том, что данные на CD-R или DVD может храниться десятки, если не сотни лет. А еще, думаю, среди читателей есть такие, кто что-то записал на диск, а когда захотел его посмотреть через год-три, этого сделать не удалось, хотя привод для чтения был исправен. В чем же дело?

Обычные причины быстрой потери данных заключаются в низком качестве записываемого диска и выборе не того типа диска, неправильных условиях его хранения и неправильном режиме записи:

• Перезаписываемые диски CD-RW, DVD-RW не предназначены для хранения данных, срок сохранности мал (в сравнении с дисками для однократной записи). В среднем, на CD-R информация хранится дольше, чем на DVD-R. По независимым тестам, почти все CD-R показали ожидаемый срок хранения более 15 лет. Такой же результат был только у 47 процентов проверенных DVD-R (тесты Библиотеки Конгресса и Национального Института Стандартов). Другие тесты показали средний срок службы CD-R в районе 30 лет. Про Blu-ray проверенной информации нет.
• Дешевые болванки, продающиеся чуть ли не в продуктовом магазине по три рубля за штуку не предназначены для хранения данных. Использовать их для записи сколько-нибудь значимой информации без сохранения ее дубликата не следует вообще.
• Не следует использовать запись в несколько сессий, рекомендуется использовать минимальную скорость записи, доступную для диска (с помощью соответствующих программ записи дисков).
• Следует избегать нахождения дисков на солнечном свете, в других неблагоприятных условиях (перепады температуры, механические воздействия, повышенная влажность).
• Качество записывающего привода также может влиять на сохранность записанных данных.

Формат хранения данных NAS и SAN

Network Attached Storage (сокращенно NAS) представляет собой хранилище информации, состоящее из набора простых дисков, к которому обеспечен быстрый сетевой доступ. Любой пользователь, обладающий соответствующим разрешением, может взаимодействовать с хранилищем, а именно сохранять, размещать и скачивать данные напрямую.

NAS оснащен собственной программной системой, все действия которой направлены на обеспечение безопасных способов хранения и предоставления своевременного доступа к файлам.

Storage Area Network (сокращенно SAN) – это сеть хранения данных, конструктивное исполнение которой выполняет объединение внешних запоминающих устройств в единый комплекс и обеспечивает последующее их распознавание в качестве локальных носителей.

Сеть SAN задействует блочный метод доступа к данным при помощи основного протокола iSCSI, который функционирует на TCP/IP и обеспечивает управление и корректное взаимодействие с различными системами хранения.

Сетевая система универсальна, поддерживается практически всеми ОС и не нуждается в использовании специфического оборудования.

DAS

DAS-накопитель CFI B8253JDGG

Эта система появилась первой, но показала низкую скорость передачи информации (по сравнению с другими вариациями) и оказалась неспособной предоставить совместный доступ. Подключается напрямую к серверу через высокоскоростной интерфейс, поэтому носит второе название SAS (Server Attached Storage — хранилище, подключенное к серверу). Обладает низкой стоимостью и быстро реагирует на запросы только в пределах работы с одним сервером, посредством которого пользователи реализуют доступ к хранящемуся информационному массиву (в рамках, обозначенных возможностями операционной и файловой систем). Когда server начинает испытывать высокую нагрузку, скорость отклика снижается.

Жесткий диск (HDD)

Поскольку речь идет об устройстве компьютера для хранения программ и данных, стоит начать именно с жесткого диска. Винчестер — уже заменимая, но не менее популярная часть системы. Он служит с самого рождения компьютерных систем.

Основывается он на магнитной записи и имеет прямой доступ к данным. Информация в данном случае записывается на алюминиевые пластины. Чтение происходит благодаря считывающей головки

Чтобы различать винчестер от других ЗУ, стоит разобраться с его характеристиками. Некоторые из них встречаются во всех остальных устройствах, а некоторые являются особенными.

Первое, что нужно сделать для работы ЖД — подключить его. Поэтому одним из основных параметров является интерфейс. Благодаря ему два устройства могут взаимодействовать. Сейчас практически все винчестеры в домашних компьютерах подключены с помощью SATA.

Следующим важным параметром жесткого диска считается его емкость. Она помогает определить количество данных, которые будут храниться на устройстве. Этот параметр влияет на выбор покупателя. На данный момент максимальный объем — около 10 Тб. Обычно он используется для серверных систем. Для домашнего ПК пользователи покупают ЖД от 200 Гб и больше.

Форм-фактор характеризует физический размер винчестера. В компьютеры устанавливают 3,5-дюймовые модели, а в ноутбуки — 2,5.

Не менее важным параметром для быстрой работы винчестера считается время произвольного доступа. Именно по этому параметру жесткие диски проигрывают твердотельным. Средний результат 8-10 мс. Для серверных накопителей показатель может быть от 2 мс, а для домашних ПК — до 16 мс.

Этот параметр зависит от еще одного — скорости вращения шпинделя. Измеряется в количестве оборотов в минуту. Оптимальным для среднего ПК считается показатель от 5200 об./мин. Для серверных систем он может превышать 10 000 об./мин.

Среди параметров этого устройства компьютера для хранения программ и данных стоит отметить надежность, количество операций ввода и вывода, потребление энергии, сопротивляемость ударов и пр.

Твердотельные накопители (SSD)

Это еще одно устройство хранения данных. Что выбрать лучше — SSD или HDD? Это очень популярный вопрос и многие давно уже ответили на него. Тут важно понимать назначение системы и ее работоспособность. Чтобы определиться в этом вопросе, стоит в сравнении с жестким диском рассмотреть твердотельный накопитель.

Не так давно появился SSD. Считается, что устройство пришло на смену жесткому диску. Но до сих пор не сумело его полностью заменить. И все в нем хорошо, кроме цены.

Это немеханическое ЗУ, которое работает на базе микросхем. Именно благодаря этому удалось добиться высокой скорости работы. В сравнении с винчестером, твердотельный накопитель имеет компактные размеры и меньший вес.

Его главное достоинство — скорость. Если средним показателем произвольного доступа в HDD является 8-10 мс, то в SSD она равен 1 мс. Соответственно устройство быстрее в 8-10 раз. И это нельзя не заметить во время работы с ним.

Основными достоинствами этого современного устройства хранения данных считается:

• бесшумная работы;
• механическая стойкость;
• стабильность;
• скорость чтения и записи;
• низкое энергопотребление;
• компактные размеры и т. д.

Но не все так гладко. Несмотря на явные преимущества, есть у твердотельного накопителя и недостатки:

• ограничение в количестве циклов записи;
• стоимость;
• сложность восстановления данных;
• вероятность выхода из строя электронных элементов;
• бюджетные модели имеют низкую производительность и т. д.

Выбор между HDD и SSD

Оба устройства хранения программных данных по-своему хороши. Поэтому многие решили не делать такой непростой выбор в пользу одного или другого варианта. Поэтому в игровые компьютеры пользователи предпочитают устанавливать оба диска. При этом рекомендуют саму систему загружать на SSD, чтобы она быстрее грузилась.

В интернет-магазинах также можно встретить гибриды HDD/SSD. Но вариантов не так много, как если выбирать каждое устройство по отдельности.

Также стоит обращать внимание на стоимость. Например, средний жесткий диск на 1 Тб будет стоить около 3-4 тысяч рублей, то твердотельный накопитель такого же объема обойдется в 14-15 тысяч рублей.

Проблема устаревания носителей информации

Устаревание носителей информации является серьёзной проблемой при её долгосрочном хранении.

Например, когда в 2008 году, в NASA обсуждались планы новых экспедиций к Луне, потребовались данные о свойствах лунной пыли, собранные в конце 1960-х годов в рамках программы «Аполлон». Они были записаны на 173 магнитных лентах, оригиналы которых NASA утратило. В Сиднейском университете сохранились копии, но для их чтения нужен был специальный накопитель IBM 729 Mark V, давно снятый с производства, и некогда распространенные магнитные ленты (с многодорожечным параллельным форматом представления данных) прочесть было не на чем. К счастью, работоспособный экземпляр накопителя (последний в мире) нашёлся в компьютерном музее в Австралии.

Похожая история произошла в 1990-е с американскими архивистами, которые хотели ознакомиться с данными переписи населения 1960 года, хранившимися на магнитных носителях. Нашлось всего два компьютера, способных прочесть эти данные: один в США, другой — в Японии.

Библиотека Конгресса США создала специальное подразделение, в котором хранятся устройства для чтения информации с устаревших электронных носителей.

Также следует учитывать, что современные цифровые носители выходят из строя просто при хранении. Самыми стойкими из них являются штампованные CD и DVD, изготовленные с предварительной записью. Они, как заявляют изготовители, при хранении в надлежащих условиях могут работать без сбоев более 30 лет.

Но следует иметь в виду, что цифровые данные на современных носителях просто и быстро копируются без потерь, поэтому долговечность самих носителей не столь важна: своевременное копирование информации позволяет хранить её практически вечно. Поэтому данные лучше хранить в цифровом виде на современных носителях и менять их, когда возникает опасность их устаревания и исчезновения данных на них.

Компьютерные файлы существуют во множестве форматов, которые тоже устаревают. Но для чтения файла старого формата нужна лишь соответствующая программа. Если её не оказалось под рукой, то её несложно разыскать, в крайнем случае её можно написать заново.

Помогла ли вам статья?