Nowoczesne nośniki informacji

Nowoczesne nośniki informacji
dr Jakub M. Milczarek
e-mail: jakub@milczarek.eu
web: http://www.milczarek.eu
Wykład opracowany przy użyciu m.in. materiałów udostępnionych przez
dra Marka Łagana i mgr Monikę Koperską

Czym jest informacja?
Informacja (abstrakcyjna) jest przekazywana za pomocą
(konkretnej) wiadomości
Zgodność pomiędzy wiadomością i informacją nie jest
jednoznaczna:
• Ta sama informacja może być przekazana przez różne wiadomości
• Jedna wiadomość może przekazywać wiele różnych informacji
• Może istnieć wiadomość trywialna – nie wnosząca nowej informacji
Informacja może być traktowana jako wynik interpretacji wiadomości
Czynnik decydujący - sposób interpretacji wiadomości uzgodniony
między nadającym i odbierającym (np. żargon
naukowy, grypsera, kryptologia i szyfry)
Nowoczesne nośniki informacji Jakub M. Milczarek Uniwersytet Jagielloński

Formy przekazywania wiadomości
• Wiadomości językowe
• mówione
• pisane
• język gestów
• język mimiki
• Sygnały - różnorodne sposoby służące do transmisji
wiadomości.
• Parametry sygnału to składowe, które zawierają wiadomość
Przykład: fale radiowe AM lub FM
• Szczególnym typem sygnału jest wiadomość znakowa, jeśli
jego parametry mogą przyjmować skończoną liczbę
wartości

Alfabety
Zbiór znaków, w którym ustalona jest kolejność
(uporządkowanie liniowe) znaków
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0
A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, M, N, O, P, Q, R, S, T, U, V,
W, X, Y, Z
Alfabet cyfr dziesiętnych
Alfabet wielkich liter łacińskich
Alfabet wielkich liter greckich

Alfabety
Alfabet Braille'a
(pismo niewidomych)
Louis Braille

Alfabety
Alfabet 12 znaków zodiaku

Alfabety
Alfabet Morse'a + dodatkowe znaki

Zbiory znaków
Zbiór znaków kodu genetycznego

Zbiory znaków
Zbiór ideogramów języka chińskiego
(kilka tysięcy znaków)
100 podstawowych znaków

Zbiory znaków
Zbiór znaków międzynarodowego
kodu flagowego

Zbiory znaków
Zbiór znaków kodu dalekopisowego

Binarne (dwójkowe) zbiory znaków
• Cyfry {0, 1}
• Stany {»wydziurkowane«, »niewydziurkowane«}
• Wartości logiczne {»prawda«, »fałsz«}
• Odpowiedzi {»tak«, »nie«}
• Impulsy elektryczne { _ _ , _ }
• "Znak dwójkowy" = bit
• Wiadomości zbudowane są ze znaków i dzielone na słowa
• Każde słowo może być na wyższym poziomie przetwarzania znakiem
• Słowa dwójkowe nie muszą mieć ustalonej długości (np. kod Morse’a)
• Jeśli słowa mają ustaloną długość n, to znak lub kod jest n-bitowy

Zalety zapisu cyfrowego
• Szybki i szeroki dostęp do informacji
• Możliwość wyszukiwania według różnych kryteriów
• Łatwość i duża szybkość powielania
• Powielanie bez utraty informacji
• Jakość kopii nie gorsza od jakości oryginałów
___________________________________________________
• Łatwość przekazu informacji ukrytej i szyfrowanej
Przykład Easter egg: Firefox -> about:robots 

Wady zapisu cyfrowego
• Konieczność stosowania specjalnych urządzeń do
odczytu zapisanej informacji
• Częsta niekompatybilność formatu zapisu
• Niekompatybilność oprogramowania
• Częste zmiany czytników, formatu i oprogramowania
• Zmienność ustalonych standardów
• Nie w pełni poznana trwałość nośników (!)

Kody i kodowanie
• Kod - reguła przekształcenia zbioru znaków
na inny zbiór znaków albo zbiór słów
• Kod to również zbiór obrazów otrzymany
za pomocą tego przekształcenia
• Z definicji kodu (od poł. XIX w.) - „kod” oznacza
księgę, w której słowom języka naturalnego
przypisano grupy liczb lub grupy liter

Przykłady kodów
Wielojęzyczny handlowy kod Marconiego

Przykłady kodów
Kod Morse'a (zmienna długość słowa)
-... .- .-. -.. --.. --- -.-. .. . ... --.. . --..-
- --.. . .--. .-. --.. -.-- ... --.. .-.. .. .-
-. .- -. ... - .-- --- -. .- -- --- .--- .-- -
.-- -.- .-.. .- -.. .--. - .-.-.- -. --- .-- ---
-.-. --.. . ... -. . -. --- ... -. .. -.- .. .. -
. ..-. --- .-. -- .- -.-. .--- ..

Przykłady kodów
Międzynarodowy kod telegraficzny (5-bitowy)

Przykłady kodów
12-bitowy kod kart perforowanych Holleritha
Karty perforowane Holleritha (1889) oparte na tabliczkach Jacquard’a (1801)

Przykłady kodów
QR code

Kompresja
Transmisja i przechowywanie informacji zakodowanej
w plikach dźwiękowych, obrazach i filmach wymaga ogromnej
pojemności nośników
Kompresja bezstratna - stosowana gdy informacja nie może
zostać zmieniona (bazy danych, encyklopedie, słowniki etc.)
Dźwięki oraz obrazy poddawane edycji, muszą być również
przechowywane w formatach bezstratnych
Kompresja stratna wykorzystuje niedoskonałość ludzkich
zmysłów, jednak może zostać dostrzeżona
(powiększenie fragmentu obrazu, wysoka jakość urządzeń Hi-Fi)

Typy nośników informacji
Pełniona funkcja:
• wprowadzanie danych i wyprowadzanie wyników obliczeń (I/O)
• pamięć komputerowa o krótkim czasie przechowywania
• archiwizacja i udostępnianie informacji
Stosowane metody zapisu i odczytu:
• zapis i odczyt mechaniczny (taśmy i karty perforowane)
• zapis i odczyt magnetyczny (taśmy i bębny magnetyczne, dyskietki oraz
dyski stałe)
• zapis i odczyt optyczny (CD-ROM, DVD, pamięć holograficzna)
• zapis i odczyt elektryczny (pamięci typu „flash”)
• mieszane (dyski magnetooptyczne)
• nośnik wirtualny – Internet

Taśmy i karty perforowane
320 GB = stos kart o wysokości > 720 kilometrów, o masie > 8 000 ton!
0,18 mm

Taśmy i karty perforowane

Taśmy magnetyczne i bębny magnetyczne
Taśma magnetyczna:
• dostęp sekwencyjny
• długi czas dostępu
• nieograniczona pojemność
Bęben magnetyczny:
• dostęp bezpośredni
• duża szybkość
• mała pojemność

Taśma magnetyczna
Sposób zapisu:
• zapis równoległy
• zapis skośny (helikalny)
Skład:
• nylon
• tlenki żelaza i chromu

Streamer – współczesna taśma magnetyczna
Znajduje zastosowanie w archiwizacji danych i przy
tworzeniu kopii zapasowych
Trwałość: 30 lat

Wczesne dyski magnetyczne
1957
1970
DEC
IBM
1979

Ewolucja dysku - pojemność

Ewolucja dysku - ceny

Współczesne dyski magnetyczne
Logiczny podział
powierzchni dysku na
sektory
Trwałość: ok. 10 lat

Powierzchnia dysku
Stop aluminiowo-magnezowy Szkło

Zapis prostopadły
W 2006 Seagate wprowadził do sprzedaży 3,5” HDD stosujący
zapis prostopadły – pojemność 300 GB

Historia dysków twardych
• 1956 – IBM – pierwszy dysk twardy 5 MB
• 1984 – IBM – pierwszy dysk 5,25’’ 5 MB
• 1987 – pierwsze dyski 3,5’’
• 2006 – Seagate - pierwszy 3,5” HDD stosujący zapis prostopadły
• 2008 – pojawiają się dyski SSD
• 2009 – dyski typu Green o zmiennej prędkości obrotowej
• 2011 – Hitachi wprowadza HDD o pojemności 4 TB

Historia dyskietki
• 1971 – pierwsza dyskietka, 8 cali, pojemność 80 KB
• 1976 – pierwsza dyskietka 5,25’’ o pojemności 110 KB
• 1981 – IBM - dyskietka 5,25’’ pojemność 360 KB,w pierwszym modelu IBM-PC
• 1984 – IBM - zwiększenie pojemności do 1,2 MB wraz z architekturą AT
• 1984 – dyskietka 3’’ (360 KB, a potem 720 KB) w komputerach Amstrad i ZX-Spectrum
• 1984 – dyskietka 3,5’’ (720 KB)
• 1987 – dyskietka 3,5’’ (1,44 MB)
• 1991 – dyskietka 3,5’’ (2,88 MB)
Skład:
• politereftalanu etylenu
• tlenki żelaza i chromu
Sukces dyskietki 3,5’’ dzięki
standardowi w komputerach
Apple Macintosh

Dyski hybrydowe
• 1983 - Iomega - wymienialne dyski o pojemności 5, 10 i 20 MB – hybrydy:
• dyskietki (elastyczny mylarowy krążek pokryty nośnikiem magnetycznym)
• dysku sztywnego (głowice swobodnie unoszące się nad powierzchnią nośnika)
• 1994 - udoskonalony model o nazwie ZIP-Drive
Początkową pojemność 25 MB potem zwiększona do 100 MB i 750 MB
• 1995 - JAZ-Drive (1 i 2 GB) - wymienialny dysk sztywny
• Iomega - System REV / RRD (Removable Rigid Disk) - 35 GB, 70 GB i 120 GB
JAZ-Drive
ZIP-Drive

Dysk magnetooptyczny
• Powierzchnia dysku pokryta jest warstwą krystalicznego materiału
ferromagnetycznego
• Zapis polega na punktowym ogrzaniu tej warstwy promieniem lasera do
temperatury przekraczającej punkt Curie (ferromagnetyczne domeny tracą
uporządkowanie i nośnik staje się paramagnetyczny)
• Zewnętrzne pole magnetyczne powoduje przyjęcie określonej orientacji
wektora namagnesowania (góra lub dół)
• Odczyt dokonywany jest przy użyciu liniowo spolaryzowanego światła.
Płaszczyzna polaryzacji zmienia się w zależności od ustawienia wektora
namagnesowania
• Cykl zapisu obejmuje fazy kasowania, zapisu i weryfikacji
Pojemność:
• 3,5’’ - od 128 MB do 2,3 GB
• 5,25’’ - od 650 MB do 9,1 GB
Trwałość: 50 lat

CD-ROM – budowa nośnika
Przekrój przez
tłoczoną płytę CD
Przekrój przez
„wypalaną” płytę CD-R
Przekrój przez
płytę CD-RW
spiralna ścieżka
prowadząca
Trwałość: ok. 10 lat

Zapisana powierzchnia CD

Odczyt danych

Struktura warstwowa różnych typów DVD
DVD5 (4.38 GB) – dysk jednostronny i jednowarstwowy
DVD10 (8.75 GB) – dwa dyski DVD5 złożone „plecami
do siebie”
DVD9 (7.95 GB) ma dwie warstwy danych po tej samej
stronie dysku. Pierwsza odczytywana jest jak w
DVD5, następnie zwiększana jest moc lasera, którego
wiązka ogniskuje się na drugiej warstwie. Dla
zmniejszenia przenikania danych między warstwami
minimalna długość zagłębienia zostaje zwiększona z 0,40
μm do 0,44 μm. Górna warstwa jest zwykle ze złota, a
dolna ze srebra
DVD18 (15.9 GB) – dwa dyski DVD9 złożone „plecami
do siebie”

Dwuwarstwowa płyta DVD

Porównanie dysków CD, DVD, HD-DVD i BlueRay

Materiały używane w nośnikach optycznych
CD-RW i DVD RW
• poliwęglanowa warstwa nośna
• warstwa dielektryczna – siarczek cynku i dwutlenek krzemu
• warstwa aktywna - stop (srebro, ind, antymon i telluru lub
german, telluru i antymonu)
• warstwa dielektryczna – siarczek cynku i dwutlenek krzemu
• warstwa refleksyjna – aluminium, srebro etc.
CD-R i DVD R
• poliwęglanowa warstwa nośna
• warstwa światłoczuła – cyjanina i ftalocyjanina, barwniki azowe
• warstwa refleksyjna – aluminium, srebro, stopy srebra lub złoto
• warstwa ochronna z lakieru

Trwałość nośników optycznych (1)
Skutek wad w wykonaniu i spajaniu
warstw dysku CD
Rozwarstwienie dysku DVD na skutek
naprężeń mechanicznych
Kombinacja wad krążka i dużej
szybkości napędu

Trwałość nośników optycznych (2)

Pamięć typu „flash”
• Duża pojemność, wygoda i szybkość wielokrotnego
zapisu, ograniczona ilość cykli zapisu
• Nie jest wiarygodna jako medium do archiwizacji
• Używa technologii typu „solid-state” bez części
ruchomych
• Jest szybsza i praktyczniejsza w użyciu niż pamięć typu
EPROM, która do kasowania wymaga zastosowania światła UV
• Pozwala na zapis pojedynczych bitów, ale kasowanie wymaga
dostępu do całej pamięci lub do adresowalnych bloków
Trwałość: ok. 3-5 lat
Historia:
• 1980 - dr Fujio Masuoka (Toshiba) – pierwsza konstrukcja
• 1988 – Intel – masowa produkcja pamięci typu NOR
• 1989 – Samsung & Toshiba - pamięci typu NAND

Pamięć typu „flash”
Pamięci typu NOR:
• bezpośredni dostęp do każdej komórki pamięci
• stosunkowo długie czasy zapisu i kasowania
• stosowane do przechowywania firmware
Pamięci typu NAND:
• sekwencyjny dostęp do danych
• krótki czas zapisu i kasowania
• większa gęstość upakowania
• korzystny stosunek ceny do pojemności
• większa trwałość

Memrystor – opornik z „pamięcią”
Obraz obwodu zawierającego 17 memrystorów
uzyskany metodą AFM (Atomic Force Microscopy).
Przewody mają średnicę 50 nm (około 150 atomów).
Każdy memrystor składa się z dwóch warstw tlenku
tytanu o różnych opornościach. Przepływający przez
urządzenie prąd zmienia położenie granicy pomiędzy
warstwami
• Czwarty (obok opornika, kondensatora i cewki indukcyjnej) pasywny element
elektroniczny
• Przewidziany teoretycznie w 1971 roku (Leon Chua)
• Skonstruowany w HP Labs (30 kwietnia 2008)
• Nie „zapomina” informacji po odłączeniu zasilania
• Może być wykorzystany do konstrukcji pamięci o znacznie większej gęstości
zapisu danych niż tradycyjne dyski twarde, ale o szybkości pracy zbliżonej do
pamięci DRAM

Przyszłość zapisu cyfrowego
• Pamięci molekularne – tranzystory z nanorurek 100x mniejsze
od tradycyjnych. Motorola wyprodukowała z nanokryształów
krzemowych układ o pojemności 4 MB
• Pamięci biologiczne – trwają intensywne badania nad
trójwymiarowymi pamięciami białkowymi (niski koszt surowca)
• Ovonic Unified Memory (OUM) – sterowane termicznie
przejścia pomiędzy stanami amorficznymi
i krystalicznymi w tellurkach. Technologia
rozwijana głównie przez Intel
- ma szansę zastąpić pamięci flash

Dziękuję za uwagę!
Jakub M. Milczarek Uniwersytet JagiellońskiNowoczesne nośniki informacji

Nowoczesne nośniki informacji

Recommended

Recommended

More Related Content

More from Jakub Milczarek

More from Jakub Milczarek (11)

Nowoczesne nośniki informacji