Курсовая работа по дисциплине «ОБЩАЯ ТЕОРИЯ СВЯЗИ» на тему «Оптические методы записи цифровой информации, анализ плотности запи. Курсовая ОТС Данилова НМ БИНз18. Курсовая работа по дисциплине общая теория связи По теме 40 Оптические методы записи цифровой информации, анализ плотности записи и методов кодирования
 Скачать 111.23 Kb.
|
|
Федеральное агентство связи Ордена Трудового Красного Знамени федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский технический университет связи и информатики» Волго-Вятский филиал Курсовая работа по дисциплине «ОБЩАЯ ТЕОРИЯ СВЯЗИ» По теме № 40: «Оптические методы записи цифровой информации, анализ плотности записи и методов кодирования» Выполнила: студентка III курса заочного отделения направление 11.03.02 группы БИНз-18 Данилова Н.М. № студ. билета: 7БИН18033 Преподаватель: Чернявский А. Д. 2021 г. ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ………..………………………………………………………………3 ИСТОРИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ………..…………………4 ОПТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СВЯЗИ, ЧТЕНИЕ И ХРАНЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ…6 НАКОПИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ФЛЕЭШ-ПАМЯТИ…………...…11 ПЕРСПЕКТИВЫ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ…………………………….13 ФИЗИЧЕСКОЕ ХРАНЕНИЕ, МЕТОДЫ КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ…….14 ЛОГИЧЕСКОЕ ХРАНЕНИЕ И КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ……………….16 ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………19 ЛИТЕРАТУРА………………..………………………………………………...………20 ВВЕДЕНИЕ Информационные технологии должны обеспечивать совокупность методов и средств получения, хранения, переработки и отображения информации. За всю историю человечества информационные технологии прошли долгий путь развития от клинописи и письменности до книгопечатания и телеграфа, а затем до радиоволн и магнитных носителей информации. Современные информационные технологии стали возможны благодаря следующим техническим достижениям: 1. появлению средств записи информации с высокими плотностью и быстродействием (магнитная, полупроводниковая память, оптические компакт-диски и голографические диски), 2. развитию технологий, обеспечивающих передачу информации в любую точку земного шара без существенных ограничений во времени, благодаря чему обеспечивается широкий охват населения разносторонними средствами связи (телевидение, спутниковая связь и навигация, информационные сети), 3. развитию технологий автоматизированной обработки информации. Наиболее перспективным путем развития информационных технологий является применение оптических методов в процессах регистрации, обработки и хранения информации, поскольку традиционные электронные методы имеют ряд существенных недостатков и ограничений, в первую очередь, по быстродействию и плотности записи. ИСТОРИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ Историю оптической записи можно разделить на несколько отдельных важных вкладов. Пионеры оптической записи работали независимо, и их разработки можно разбить на несколько этапов светоотражающий диск (Компан и Крамер) прозрачный диск (Дэвид Пол Грегг) дискета (Джеймс Рассел) жесткий диск (Компан и Крамер) сфокусированный лазерный луч для считывания через прозрачную подложку (Компан и Крамер) Дэвид Пол Грегг 1959 Технология Laserdisc, с использованием прозрачного диска была изобретена Дэвид Пол Грегг в 1958 году (и запатентованная в 1961 и 1990 годах). К 1969 году Philips разработал видеодиск в отражающем режиме, который имеет большие преимущества по сравнению с прозрачным режимом. MCA и Philips решили объединить свои усилия. Они впервые публично продемонстрировали видеодиск в 1972 году. Laserdisc был впервые представлен на рынке в Атланте 15 декабря 1978 года, через два года после видеомагнитофона VHS и за четыре года до CD, который основан на технологии Laserdisc. Philips выпустила плееры и MCA диски. Сотрудничество Philips / MCA не было успешным и прекратилось через несколько лет. Несколько ученых, ответственных за ранние исследования (Джон Уинслоу, Ричард Уилкинсон и Рэй Дакин), основали корпорацию оптических дисков (ныне ODC Nimbus ). Джеймс Рассел 1965 Работая в Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, Джеймс Рассел изобрел оптическую систему хранения для цифрового аудио и видео, запатентовав концепцию в 1970 году. Самые ранние патенты Рассела, США 3 501 586 и 3 795 902 были поданы в 1966 и 1969 гг. Соответственно. Он построил прототипы, первый из которых заработал в 1973 году. Рассел нашел способ записывать цифровую информацию на светочувствительную пластину в крошечных темных пятнах, каждое из которых по одному микрометру от центра к центру, с помощью лазера, который записывал двоичные структуры. Первый оптический диск Рассела заметно отличался от возможного продукта на компакт-диске: диск в проигрывателе не читался лазерным светом. Ключевой характеристикой изобретения Рассела является то, что для чтения диска не используется лазер, вместо этого весь диск или продолговатый считываемый лист освещается большим источником света для воспроизведения на задней стороне прозрачной фольги. В результате плотность информации относительно низкая. К 1985 году Рассел получил более 25 патентов на различные технологии, связанные с оптической записью и воспроизведением. Интеллектуальная собственность Рассела была куплена компанией Optical Recording Corporation (ORC) в Торонто в 1985 году, и эта фирма уведомила ряд производителей компакт-дисков, что их технология CD основана на патентах, которыми владеет ORC. В 1987 году ORC подписала соглашение с Sony, согласно которому Sony платит за лицензирование технологии. Далее следуют лицензии от Philips и других. Компания Warner Communications не подписала соглашение и подала в суд на ORC. В 1992 году крупному производителю компакт-дисков, который теперь называется Time Warner, были предъявлены претензии на 30 миллионов долларов США за нарушения патента ORC. В патенте 1970 года диаметр пятна составлял около 10 микрометров. Таким образом, плотность информации об ареале была примерно в сто раз меньше, чем у компакт-диска, который был разработан позднее. Рассел продолжал совершенствовать концепцию в течение 1970-х годов. Philips и Sony, однако, смогли вложить гораздо больше ресурсов в параллельное развитие концепции, и всего за несколько лет получили меньший и более сложный продукт. Различные партнеры и предприятия Рассела не смогли произвести ни одного потребительского продукта. Компан и Крамер 1969 Разработка Philips технологии видеодисков началась в 1969 году с усилий голландских физиков Клааса Компана и Пита Крамера по записи видеоизображений в голографическом виде на диск. Их прототип Laserdisc, показанный в 1972 году, использовал лазерный луч в отражающем режиме, чтобы прочитать дорожку ям, используя FM-видеосигнал. Вместе с MCA компания Philips выпустила оптический видеодиск на рынок в 1978 году. Сотрудничество между Philips и MCA длилось недолго и прекратилось через несколько лет. ОПТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА СВЯЗИ, ЧТЕНИЕ И ХРАНЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ Носители CD-ROM CD-ROM (сокращение от англ. Compact Disc read-only memory) – это компактный оптический диск, содержащий данные доступные для компьютера. Информация на диске записывается в виде спиральной дорожки так называемых питов (углублений), выдавленных в поликарбонатной основе (рис. 1). Каждый пит имеет примерно 100 нм в глубину и 500 нм в ширину. Различают диски только для чтения («алюминиевые»), CD-R – для однократной записи, CD-RW – для многократной записи. Диски последних двух типов предназначены для записи на специальных пишущих приводах.
Способ считывания информации. Для чтения информации с CD (рис.2) используется луч лазера инфракрасного диапазона (ИК). Луч подается на вращающийся диск со стороны подложки, отражается от отражающего слоя и возвращается на специальный фотоприемник. При попадании луча на питы и лэнды интенсивность отраженного луча меняется. В итоге, на выходе фотоприемника формируется электрический сигнал, повторяющий по форме информационный рисунок на поверхности компакт-диска. НосителиDVD DVD (англ. Digital Versatile Disc) – цифровой многоцелевой диск, носитель информации в виде диска, внешне схожий с компакт-диском, однако имеющий возможность хранить бо́льший объем информации за счет использования лазера с меньшей длиной волны, чем для обычных компакт дисков. Первые диски и проигрыватели DVD появились в ноябре 1996 в Японии и в марте 1997 в США. В начале 1990-х годов разрабатывалось два стандарта для оптических информационных носителей высокой плотности. Один из них назывался «Multimedia Compact Disc» (MMCD) и разрабатывался компаниями Philips и Sony, второй – «Super Disc» – поддерживали 8 крупных корпораций, в числе которых были Toshiba и Time Warner. Позже усилия разработчиков стандартов были объединены под началом IBM, которая не хотела повторения кровопролитной войны форматов, как было со стандартами кассет VHS и Betacam в 1980-х. Официально DVD был анонсирован в сентябре 1995 года. Первая версия спецификаций DVD была опубликована в сентябре 1996 года. Изменения и дополнения в спецификации вносит организация DVD Forum (ранее называвшаяся DVD Consortium), членами которой являются 10 компаний-основателей и более 220 частных лиц. Первый привод, поддерживающий запись DVD-R, выпущен Pioneer в октябре 1997 года. Стоимость этого привода, поддерживающего спецификацию DVD-R версии 1.0, составляла 17000$. «Болванки» объемом 3.95 Гб стоили по 50$ каждая. Изначально «DVD» расшифровывалось как «Digital Video Disc» (цифровой видеодиск), поскольку данный формат первоначально разрабатывался как замена видеокассетам. Позже, когда стало ясно, что носитель подходит и для хранения произвольной информации, многие стали расшифровывать DVD как Digital Versatile Disc (цифровой многоцелевой диск). Toshiba, заведующая официальным сайтом DVD Forum’а, использует «Digital Versatile Disc». К консенсусу не пришли до сих пор, поэтому сегодня «DVD» официально вообще никак не расшифровывается. Для считывания и записи DVD используется красный лазер с длиной волны 650 нм. В отличие от компакт-дисков, в которых структура аудиодиска фундаментально отличается от диска с данными, в DVD всегда используется файловая система UDF (для данных может быть использована ISO 9660). DVD как носители бывают четырех типов: - DVD-ROM – диски, изготовленные методом инжекционного литья (литья под давлением из прочного пластика-поликарбоната), непригодны для записи в приводах; - DVD+R/RW – диски однократной (R – Recordable) и многократной (RW – ReWritable) записи; - DVD-R/RW – диски однократной (R – Recordable) и многократной (RW – ReWritable) записи; - DVD-RAM – диски многократной записи с произвольным доступом (RAM – Random Access Memory). Физически DVD может иметь одну или две рабочие стороны и один или два рабочих слоя на каждой стороне. От их количества зависит емкость диска (из-за чего они получили также названия DVD-5, −9, −10, −18, по принципу округления емкости диска в Гб до ближайшего сверху целого числа): Таблица 1 – Емкость различных носителей формата DVD
Возникновение форматов DVD±R и их совместимость. Стандарт записи DVD-R(W) был разработан в 1997 г. DVD-Forum'ом как официальная спецификация (пере)записываемых дисков. Однако цена лицензии на эту технологию была слишком высока, и поэтому несколько производителей пишущих приводов и носителей для записи объединились в «DVD+RW Alliance», который и разработал в середине 2002 г. стандарт DVD+R(W), стоимость лицензии на который была ниже. Поначалу «болванки» (чистые диски для записи) DVD+R(W) были дороже, чем «болванки» DVD-R(W), но теперь цены сравнялись. Все приводы для DVD могут читать оба формата дисков, и большинство пишущих приводов также могут записывать оба типа «болванок». Среди остальных приводов форматы «+» и «-» одинаково популярны – половина производителей поддерживает один стандарт, половина – другой.
Носители BD Blu-ray Disc, BD (англ. blue ray – голубой луч и disc – диск) – формат оптического носителя, используемый для записи и хранения цифровых данных, включая видео высокой четкости с повышенной плотностью. Blu-ray (букв. «голубой-луч») получил свое название от использования для записи и чтения коротковолнового (405 нм) «синего» (технически сине-фиолетового) лазера. Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23,3, 25, 27,0 или 33 Гб, двухслойный диск может вместить 46,6, 50, или 54 Гб. Также в разработке находятся диски вместимостью 100 Гб и 200 Гб с использованием соответственно четырех и шести слоев. Корпорация TDK уже анонсировала прототип четырехслойного диска объемом 100 Гб. На данный момент доступны диски BD‑R и BD-RE, в разработке находится формат BD-ROM. В технологии для чтения и записи используется сине-фиолетовый лазер с длиной волны 405 нм. Обычные DVD и CD используют красный и инфракрасный лазеры с длиной волны 650 нм и 780 нм соответственно. Такое уменьшение позволило сузить дорожку вдвое по сравнению с обычным DVD-диском (до 0,32 мкм) и увеличить плотность записи данных, а также увеличить скорость считывания до 432 Мбит/с. Таблица 2 – Емкость различных носителей формата BD
В Blu-ray применяется новое полимерное покрытие, которое дало дискам невероятную защиту от царапин и пыли. Это покрытие, разработанное корпорацией TDK, получило название «Durabis», оно позволяет очищать BD при помощи бумажных салфеток – которые могут нанести повреждения CD и DVD. По сообщению в прессе «голые» BD с этим покрытием сохраняют работоспособность даже будучи поцарапанными отверткой. Носители HVD Голографический многоцелевой диск (HVD - Holographic Versatile Disc) – разрабатываемая перспективная технология производства оптических дисков, которая предполагает значительно увеличить объем хранимых на диске данных по сравнению с Blu-Ray и HD DVD. Она использует технологию, известную как голография, которая использует два лазера: один – красный, а второй – зеленый, сведенные в один параллельный луч. Зеленый лазер читает данные, закодированные в виде сетки с голографического слоя близкого к поверхности диска, в то время как красный лазер используется для чтения вспомогательных сигналов с обычного компакт-дискового слоя в глубине диска. Вспомогательная информация используется для отслеживания позиции чтения, наподобие системы CHS в обычном жестком диске. На CD или DVD эта информация внедрена в данные.
Предполагаемая информационная емкость этих дисков – до 3.9 терабайт (Tб), что сравнимо с 6000 CD, 830 DVD или 160 однослойными дисками Blu-ray; скорость передачи данных – 1 Гбит/сек. Optware собирался выпустить 200 Гб диск в начале июня 2006 года и Maxell в сентябре 2006 с емкостью 300 Гб. 28 июня 2007 года HVD стандарт был утвержден и опубликован. НАКОПИТЕЛИ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ФЛЕЭШ-ПАМЯТИ Накопители информации на основе флэш-памяти относятся к внешним (переносным) ЗУ и предназначены для долговременного хранения относительно небольших объемов информации (единицы гигабайт). Накопители информации на основе флэш-памяти относятся к ЗУ с прямым (произвольным) доступом к данным. Рассмотренные выше накопители информации на гибких и жестких магнитных дисках имеют в своем составе механические компоненты, которые снижают надежность их работы и определяют относительно большое потребление электрической энергии при записи и считывании информации. Флэш-память (Flash-memory) является полностью электронным устройством и лишено указанных выше недостатков. Название Flash применительно к данному типу памяти переводится как «вспышка». Однако это не совсем так. Одна из версий появления этого названия состоит в том, что впервые в 1990 г. японская компания Toshiba употребила слово Flash в контексте «быстрый, мгновенный» при описании своих новых микросхем. Изобретателем флэш-памяти считается фирма Intel, представившая в 1988 г. флэш-память. Промышленное производство такой памяти началось в 1994 г. Накопитель информации на основе флэш-памяти представляет собой функционально законченное устройство, конструктивно состоящее из защитного корпуса с маркировкой, выходного разъема для подключения к соответствующему порту системного блока компьютера и электронного блока. Внутри защитного корпуса размещается электронный блок (микросхема), который включает в себя перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) с неограниченным циклом записи и считывания, а также контроллер флэш-памяти. Накопители информации на основе флэш-памяти относятся к энергонезависимому типу памяти, т. е. после отключения электрического питания от такого накопителя информация в нем сохраняется в течение нескольких лет. ППЗУ, используемое во флэш-памяти, является представителем класса перепрограммируемых постоянных ЗУ, в котором реализуется электрический способ записи, считывания и стирания (удаления) информации. Однако стирание информации в ППЗУ осуществляется сразу в целой области ячеек – блока или всей микросхемы, это обеспечивает более быструю запись информации. В ППЗУ флэш-памяти используется принцип записи, основанный на использовании в них базовых элементов памяти (ячеек) – микроэлектронных полупроводниковых транзисторов с двумя изолированными затворами: управляющим (control) и плавающим (floating). Важной особенностью этих транзисторов является способность удерживать электроны, т. е. электрический заряд. Этот процесс носит название Фоулера – Нордхейма. Существуют различные технологии построения базовых элементов флэш-памяти, которые разработаны основными производителями. Эти технологии отличаются друг от друга количеством слоев, методами стирания и записи данных, а также структурной организацией, что отражается в их названии. Наиболее широко известны NOR (Not OR – ИЛИ-НЕ) и NAND (Not AND – И-НЕ) типы флэш-памяти, запоминающие транзисторы в которых подключены к разрядным шинам соответственно параллельно и последовательно. Элементы памяти ППЗУ организованы в матрицы (блоки), как и в других видах полупроводниковой памяти. Данные в ППЗУ хранятся в виде блоков, а не байтов, как в обычных модулях памяти. Первый тип (NOR) имеет относительно большие размеры ячеек и малое время доступа (порядка 70 не). Второй тип (NAND) имеет меньшие размеры ячеек и большую скорость передачи информации – до 16 Мбайт/с. Подключаются накопители на основе флэш-памяти к соответствующему порту системного блока компьютера. В настоящее время в качестве такого порта используется в основном порт USB. Обмен информацией между МП и накопителем на основе флэш-памяти осуществляется посредством интерфейса USB, который поддерживает автоматическое определение и подключение данного накопителя к работающему компьютеру без его перезагрузки. В настоящее время широко используется версия последовательного интерфейса USB 2.0, который обеспечивает достаточно высокую скорость обмена информацией порядка 60 Мбайт/с. Обмен информацией между накопителем на основе флэш-памяти и МП компьютера осуществляется через контроллер накопителя и порта USB. Считывание информации с накопителя на основе флэш-памяти выполняется, как в обычных ОЗУ или кэш-памяти, построенных на основе микросхем. Запись информации в накопитель на основе флэш-памяти отличается от записи информации в ОЗУ. Перед записью новых данных в элементы памяти (ячейки) информация должна быть удалена. Удаление информации (стирание) заключается в переводе элементов памяти в состояние единицы, и это возможно только сразу для целого блока ячеек. Выборочное стирание невозможно. В процессе записи информации соответствующие элементы памяти переключаются в нулевое состояние. Таким образом, операция записи реализуется в два этапа: стирания и непосредственно записи. Основные характеристики (в среднем) накопителей на основе флэш-памяти у разных производителей приблизительно одинаковые. В качестве примера приведем основные характеристики накопителя на основе флэш-памяти Sony USB 2.0 flash-disk 256 Мбайт серии Micro Vault производства корпорации Sony: • тип накопителя – флэш-память; • объем памяти (информационная емкость) 256 Мбайт; • скорость записи информации 1,0 Мбайт/с; • скорость считывания информации 5,5 Мбайт/с; • Hot Plug and Play – подключение и использование возможно без перезагрузки компьютера; • передача электрического напряжения для питания накопителя производится через USB-кабель. ПЕРСПЕКТИВЫ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОЙ ПАМЯТИ Оптической памяти на съёмных носителях, набравшей популярность с развитием технологии цифровых оптических дисков и применением её к хранению аудио- и видеозаписей, а также компьютерной информации, приходится выдерживать жёсткую конкуренцию не только с другими формами локального сохранения информации, такими как магнитная и полупроводниковая, но и с относительно новой концепцией распределённого хранения информации, которое становится всё более привлекательным с совершенствованием и широким распространением высокоскоростных сетевых технологий, в том числе беспроводных. Появляются новые технологии хранения информации, такие как "наномеханическая", по идее близкая к архаичной записи информации на перфокартах, но с использованием современной атомно-силовой техники демонстрирующая очень высокую плотность записи (0.3-0.5 Гбит/мм 2 ), правда, при пока скромной скорости в 60 кбит/с. Оптимизм в отношении архивных голографических систем заметно укрепился несколько лет назад благодаря сильному прогрессу элементной базы – прежде всего созданию новых светочувствительных материалов для объёмной голографии, таких как безусадочные фотополимеры от Aprilis и Inphase, а также лазеров, модуляторов, фотоприёмников. Известно несколько проработанных инженерных концепций, таких как, например, "коллинеарная голография, реализуемая в "универсальных голографических дисках" и "картах" (Holographic Versatile Disc, Holographic Versatile Card, Optware), но какие из них будут действительно распространены – это вопрос не только их научно-технических достоинств. Прогресс неголографической дисковой памяти связывается с многослойными флуоресцентными дисками, ближнепольной записью и дальнейшим уменьшением рабочей длины волны, хотя бы до границ вакуумного ультрафиолета, а, возможно, когда-нибудь и до рентгеновской области. Наряду с готовыми к использованию голографическими технологиями, существуют и подходы, выглядящие фантастическими, судя по заявляемым их создателями параметрам. Так, в связи с "атомной голографией" (Rewritable 3D Volume Atomic Holographic Optical Storage NanoTechnology, Colossal storage, inc.) говорят о записи УФ лазерами в электрооптических кристаллах 1 Тбит/мм 2 , или 40 Тбит/мм 3 информации при скорости передачи 10 Тбит/с. ФИЗИЧЕСКОЕ ХРАНЕНИЕ, МЕТОДЫ КОДИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ Как уже говорилось, информация на поверхностях накопителя хранится в виде последовательности мест с переменной намагниченностью, обеспечивающих непрерывный поток данных при считывании их при помощи последовательного чтения. Вся информация и места ее хранения делятся на служебную и пользовательскую информацию. Служебная и пользовательская информация хранится в областях дорожек, называемых секторами. Каждый сектор содержит область пользовательских данных - место, куда можно записать информацию, доступную в последующем для чтения и зону серво-данных, записываемых один раз при физическом форматировании и однозначно идентифицирующих сектор и его параметры (используется или нет, физический адрес сектора, ЕСС код и т.п.). Вся серво-информация не доступна обычным процедурам чтения/записи и носит абсолютно уникальный характер в зависимости от модели и производителя накопителя. В отличие от дискет и старых накопителей на ЖД, диски современных накопителей проходят первичную, или низкоуровневую, разметку (Low Level Formatting) на специальном заводском высокоточном технологическом стенде. В ходе этого процесса на диски записываются служебные метки - серво-информация, а также формируются привычные дорожки и сектора. Таким образом, если когда-то новый накопитель нужно было "форматировать на низком уровне", то сейчас этого делать не то чтобы не нужно - это просто невозможно без специального сложнейшего оборудования, а различные "программы низкоуровневого форматирования" чаще всего просто обнуляют содержимое секторов с проверкой их читаемости, хотя порой могут и необратимо испортить служебную разметку и серво-информацию служебных секторов. Появление различных методов кодирования данных секторов связано, прежде всего, с техническими особенностями устройств хранения и передачи информации и желанием производителей наиболее полно использовать физическое пространство носителей информации. В настоящее время используется несколько различных методов кодирования данных. Частотная модуляция (Frequency Modulation - FM) - метод, используемый в накопителях на сменных магнитных дисках. Иначе, кодирование методом FM можно назвать кодированием с единичной плотностью. Метод предполагает запись на носитель в начале каждого битового элемента данных бита синхронизации. Битовый элемент определяется как минимальный интервал времени между битами данных, получаемый при постоянной скорости вращения диска носителя. Метод гарантирует, по меньшей мере, одну перемену направления магнитного потока за единицу времени вращения. Такой временной интервал соответствует максимальной продольной плотности магнитного потока 2330 перемен на 1 см и скорости передачи данных – 125 Кбит/сек. Простота кодирования и декодирования по методу FM определяется постоянной частотой следования синхроимпульсов. Однако, наличие этих бит синхронизации и является одним из недостатков данного метода, т.к. результирующий код малоэффективен с точки зрения компактности данных (половина пространства носителя занимается битами синхронизации). Это один из первых методов, не используемый в настоящее время в накопителях на ЖД. Модифицированная частотная модуляция (Modified Frequency Modulation - MFM) - улучшенный метод FM. Модификация заключается в сокращении вдвое длительности битового элемента - до 4 мкс и использовании бит синхронизации не после каждого бита данных, а лишь в случаях, когда в предшествующем и текущем битовых элементах нет ни одного бита данных. Такой способ кодирования позволяет удвоить емкость носителя и скорость передачи данных, по сравнению с методом FM, т.к. в одном и том же битовом элементе никогда не размещаются бит синхронизации и данных, а на один битовый элемент приходится только одна перемена направления магнитного потока. Также, в настоящее время не используется. Запись с групповым кодированием (Run Limited Length - RLL) - метод, полностью исключающий запись на диск каких-либо синхронизационных бит. Синхронизация достигается за счет использования бит данных. Однако, такой подход требует совершенно иной схемы кодирования, т.к. простое исключение бит синхронизации приведет к записи последовательностей из одних нулей или единиц, в которых не будет ни одной перемены полярности магнитного потока. Метод RLL происходит от методов, используемых для кодирования данных при цифровой записи на магнитную ленту. При этом, каждый байт данных разделяется на два полубайта, которые кодируются специальным 5-ти разрядным кодом, суть которого – добиться хотя бы одной перемены направления магнитного потока для каждой пары его разрядов. Что означает, необходимость наличия в любой комбинации 5-ти разрядных кодов не более двух стоящих рядом нулевых бит. Из 32 комбинаций 5 бит такому условию отвечают 16. Они и используются для кодирования по методу RLL. При считывании происходит обратный процесс. При применении метода кодирования RLL скорость передачи данных возрастает с 250 до 380 Кбит/с, а число перемен полярности магнитного потока до 3330 перемен/см. При этом длительность битового элемента снижается до 2.6 мкс. Поскольку, максимальный интервал времени до перемены магнитного потока известен (два последовательно расположенных нулевых бита), биты данных могут служить битами синхронизации, что делает метод кодирования RLL самосинхронизирующимся и самотактируемым. Интересным является тот факт, что метод MFM является частным случаем метода RLL. Модифицированная запись с групповым кодированием (Advanced Run Limited Length – ARLL) – улучшенный метод RLL, в котором, наряду с логическим уплотнением данных, производится повышение частоты обмена между контроллером и накопителем. В настоящее время в накопителях на жестких дисках используются различные методы кодирования информации, разрабатываемые и патентуемые фирмами-производителями на основе метода с групповым кодированием - ARLL. Выпускаются также устройства с аппаратной компрессией данных на уровне интерфейса или контроллера в которых используется простое арифметическое сжатие информации перед записью и после считывания. ЛОГИЧЕСКОЕ ХРАНЕНИЕ И КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ Для обеспечения наиболее оптимальной производительности и работы накопителя как запоминающего устройства, а также, для улучшения программного интерфейса, накопители не используются системами в первичном виде, а в них, на основе физически присутствующих структур - дорожек и секторов, используется логическая структура хранения и доступа к информации. Ее тип и характеристики зависят от используемой операционной системы и называется она - файловой системой. В настоящее время имеется достаточно много типов различных файловых систем, практически столько же, сколько и различных операционных систем, однако, все они основывают свои логические структуры данных на нескольких первичных логических структурах. Рассмотрим их подробнее. Первый сектор жесткого диска содержит хозяйственную загрузочную запись - Master Boot Record (MBR) которая, в свою очередь, содержит загрузочную запись - Boot Record (BR), выполняющуюся в процессе загрузки ОС. Загрузочная запись жестких дисков является объектом атаки компьютерных вирусов, заражающих MBR. За загрузчиком расположена таблица разделов - Partition Table (PT), содержащая 4 записи - элементы логических разделов - Partitions. Завершается MBR специальной сигнатурой - последовательностью из 2-х байт с шестнадцатиричными значениями 55H и ААH, указывающая на то, что данный раздел, после которого расположена сигнатура, является последним разделом в таблице. Ниже представлена структура MBR.
Каждый элемент таблицы разделов содержит информацию о логическом разделе. Первым байтом в элементе раздела идет флаг активности раздела (0 - не активен, 128 (80H) - активен). Он служит для определения, является ли раздел системным загрузочным и необходимости производить загрузку операционной системы с него при старте компьютера. Активным может быть только один раздел. Небольшие программы, называемые менеджерами загрузки (Boot Manager), могут располагаться в первых секторах диска. Они интерактивно запрашивают пользователя с какого раздела производить загрузку и соответственно корректируют флаги активности разделов. За флагом активности раздела следует байт номера головки, с которой начинается раздел. За ним следует два байта, означающие соответственно номер сектора и номер цилиндра загрузочного сектора, где располагается первый сектор загрузчика операционной системы. Загрузчик операционной системы представляет собой маленькую программу, осуществляющую считывание в память начального кода операционной системы во время ее старта. Затем следует байт – кодовый идентификатор операционной системы, расположенной в разделе. За байтом кода операционной системы расположен байт номера головки конца раздела, за которым идут два байта – номер сектора и номер цилиндра последнего сектора, распределенного разделу. Ниже представлен формат элемента таблицы разделов.
Завершают элемент раздела младшее и старшее двухбайтовое слово относительного номера первого сектора раздела и размер раздела в секторах соответственно. Номера сектора и номер цилиндра секторов в разделах занимают 6 и 10 бит соответственно. Ниже представлен формат записи, содержащей номера сектора и цилиндра. Биты номера цилиндра Биты номера сектора 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Как было показано выше, для жестких дисков типичной является ситуация, когда имеется четыре записи в таблице разделов и соответственно четыре раздела. ОС MS-DOS использует только два из них, остальные резервируются на случай параллельного использования других операционных систем. Благодаря наличию такой структуры как MBR на одном физическом жестком носителе может располагаться несколько файловых систем различного типа различных операционных систем. Структуры MBR представляют собой важнейшую информацию, повреждение которой приводит к частичной или полной потере доступа к данным логических устройств жесткого диска и возможно, к невозможности загрузки операционной системы с поврежденного носителя. Логические разделы тоже имеют некоторую иерархическую структуру в зависимости от типа и вида ОС и ее файловой системы. Так, первый раздел жесткого диска в MS-DOS называется главным разделом (Primary Partition), а второй расширенным (Extended Partition). Главный раздел всегда должен присутствовать на диске, с него происходит загрузка MS-DOS. Расширенного же раздела может не быть, он создается лишь в том случае, когда необходимо получить более одного логического устройства на физическом диске. Логический раздел размещает в себе такие структуры файловой системы как логические диски или устройства, или тома (оформленные как подразделы), загрузчик операционной системы, таблицы распределения файлов, области пользовательских данных в которых размещаются записи о каталогах и файлах и данные файлов. По своей структуре логические подразделы или диски схожи с разделами. Основным отличием является то, что их число может быть более четырех, а последний элемент каждого показывает является ли он последним логическим подразделом раздела, или указывает на следующий элемент таблицы логических устройств или подразделов. Таблица подразделов строится только на расширенной таблице разделов, каждый ее элемент соответствует логическому устройству с односимвольным именем D:, E: и т.д.. Главная таблица разделов содержит только одно логическое устройство – диск С:. Таблица подразделов создается при создании расширенной таблицы разделов, а число элементов таблицы подразделов определяется пользователем. При определении числа логических устройств пользователь определяет и долю дискового пространства расширенного раздела, отводимую каждому логическому устройству – задает объем логических дисков. В дальнейшем, число и объем логических устройств не может быть изменено без потери данных, расположенных на перераспределяемых логических устройствах. На основе разделов в MS-DOS и Windows 95 ориентированных ОС создается дальнейшая структура. Так в таких системах основной единицей хранения информации является кластер (cluster) - группа секторов. В таком случае, для распределения минимального дискового пространства в один байт выделяется целый кластер, содержащий много секторов и еще больше байт (килобайты), что приводит к нерациональному использованию пространства ЖД для мелких файлов. Для доступа к каждому кластеру создается таблица соответствия номеров кластеров файлам на логическом разделе - таблица распределения файлов (File Allocation Table - FAT). Поэтому, файловые систем такого типа называют типа FAT, или построенные по принципу FAT. Это не самый оптимальный, но довольно быстрый способ организации информации на разделах, поэтому он "дожил" до наших дней с незапамятных времен зори цивилизации ПК, где использовался исключительно для накопителей на гибких магнитных дисках. Все остальные логические структуры - файлы или каталоги связаны локализацией с FAT. Для других ОС, например, UNIX - использование разделов происходит иначе. Как правило, их может быть более четырех, все они равноправны и одинаково могут быть загрузочными, содержат собственные файловые системы на основе i-узлов. Такие файловые системы являются теговыми и не имеют таблиц распределения порций информации. Дисковое пространство распределяется посекторно, что дает максимально возможное использование пространства раздела, но несколько снижает производительность. Весь раздел разбивается на иерархически связанную цепочку узлов разного уровня, которым соответствует некоторое количество секторов. На основе узлов строится понятие файлов и каталогов, и в таких системах файлы и каталоги действительно не различаются, т.к. каталог является файлом, содержащим структуру узлов. Один раздел отводится для дискового свопа и имеет упрощенную структуру, т.к. никогда не содержит файлов и каталогов. Существуют и другие принципы организации логической структуры дискового пространства разделов накопителей на ЖД. Все разделы могут содержать загрузчик операционной системы, который располагается, как правило, в первом секторе и занимает один сектор. В этом секторе располагаются структуры - записи, имеющие отношение лишь к конкретной операционной системе и следовательно, они могут отличаться для разных разделов и версий операционных систем. Многие специализированные программы (например, защиты данных, по борьбе и профилактике вирусов и др.) могут изменять структуру или отдельные части загрузчика операционных систем. Загрузчик большинства персональных однопользовательских операционных систем является объектом заражения вирусами, которые заражают загрузочные сектора жестких дисков. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Плотность записи неуклонно увеличивается. При появлении первого устройства магнитного хранения данных IBM RAMAC в 1956 году рост поверхностной плотности записи достигал 25% в год, а с начала 1990-х — 60%. Разработка и внедрение магниторезистивных (1991 год) и гигантских магниторезистивных головок (1997 год) еще больше ускорили увеличение поверхностной плотности записи. Более чем за 44 года, прошедших с момента появления первых устройств магнитного хранения данных, поверхностная плотность записи выросла более чем в пять миллионов раз. В следующие пять лет (при сохранении существующих темпов роста) плотность записи достигнет 100 Гбит/дюйм2. Эта плотность записи соответствует точке суперпарамагнитного эффекта (магнитные домены настолько малы, что становятся нестабильными при комнатной температуре). Использование новых технологий, к примеру материалов с высокой коэрцитивностью и записи с вертикальной поляризацией, позволит увеличить плотность записи до 200 Гбит/дюйм2 и более. Одна из перспективных технологий недалекого будущего — голографические устройства хранения информации, в которых данные записываются с помощью лазера в «трехмерном пространстве» (кристаллические пластина или куб). ЛИТЕРАТУРА https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BF%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%B7%D0%B0%D0%BF%D0%B8%D1%81%D1%8C_%D0%B8%D0%BD%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BC%D0%B0%D1%86%D0%B8%D0%B8 https://vk.com/doc64727642_597195179?hash=e337005abe02eec711&dl=b34354c528d20ac68b http://citforum.ru/pp/pc03_06.shtml http://citforum.ru/pp/pc03_08.shtml https://siblec.ru/telekommunikatsii/vychislitelnye-sistemy-seti-i-telekommunikatsii/7-komponenty-sovremennogo-personalnogo-kompyutera/7-6-opticheskie-sredstva-zapisi-chteniya-i-khraneniya-informatsii http://dvdset.ru/tehnologii/tehnologii-nakopitelei-na-zhestkih-diskah/poverxnostnaya-plotnost-zapisi.html https://wm-help.net/lib/b/book/2090046783/50 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
