Хранение компьютерных данных

Хранение компьютерных данных - это технология, состоящая из компьютерных компонентов и носителей записи , которые используются для хранения цифровых данных . Это основная функция и фундаментальный компонент компьютеров. ^{[1] : 15–16}

Центральный процессор (ЦП) компьютера - это то, что управляет данными, выполняя вычисления. На практике почти все компьютеры используют иерархию хранения , ^{[1] : 468–473,} которая ставит быстрые, но дорогие и небольшие варианты хранения ближе к ЦП, а более медленные, но менее дорогие и большие варианты - дальше. Обычно быстрые энергозависимые технологии (которые теряют данные при отключении питания) называются «памятью», а более медленные постоянные технологии упоминаются как «хранилище».

Даже первые компьютерные рисунки, Чарльз Бэббидж «s Analytical Engine и Percy Ludgate » Аналитическая машина с, ясно различали обработки и памяти (Бэббидж хранится число как вращения шестерен, в то время как Ludgate хранится числа в качестве смещения стержней в маршрутках). Это различие было расширено в архитектуре фон Неймана , где центральный процессор состоит из двух основных частей: блока управления и арифметико - логическое устройство (АЛУ). Первый контролирует поток данных между ЦП и памятью, а второй выполняет арифметические и логические операции с данными.

Функциональность [ править ]

Без значительного объема памяти компьютер мог бы просто выполнять фиксированные операции и немедленно выводить результат. Чтобы изменить его поведение, его придется перенастроить. Это приемлемо для таких устройств, как настольные калькуляторы , процессоры цифровых сигналов и другие специализированные устройства. Машины фон Неймана отличаются наличием памяти, в которой они хранят свои рабочие инструкции и данные. ^{[1] : 20} Такие компьютеры более универсальны в том смысле, что им не нужно перенастраивать оборудование для каждой новой программы, их можно просто перепрограммировать.с новыми инструкциями в памяти; они также имеют тенденцию быть более простыми в разработке, поскольку относительно простой процессор может сохранять состояние между последовательными вычислениями для создания сложных процедурных результатов. Большинство современных компьютеров - это машины фон Неймана.

Организация и представление данных [ править ]

Современный цифровой компьютер представляет данные в двоичной системе счисления . Текст, числа, изображения, аудио и почти любые другие формы информации можно преобразовать в строку битов или двоичных цифр, каждая из которых имеет значение 1 или 0. Наиболее распространенной единицей хранения является байт , равный до 8 бит. Часть информации может обрабатываться любым компьютером или устройством, чье пространство для хранения достаточно велико, чтобы разместить двоичное представление части информации или просто данных . Например, полное собрание сочинений Шекспира , около 1250 страниц в печати, может храниться примерно в пяти мегабайтах. (40 миллионов бит) по одному байту на символ.

Данные кодируются путем присвоения битовой комбинации каждому символу , цифре или мультимедийному объекту. Для кодирования существует множество стандартов (например, кодировки символов , такие как ASCII , кодировки изображений, такие как JPEG , кодировки видео, такие как MPEG-4 ).

Добавляя биты к каждому закодированному блоку, избыточность позволяет компьютеру как обнаруживать ошибки в кодированных данных, так и исправлять их на основе математических алгоритмов. Ошибки обычно возникают с низкой вероятностью из-за случайного переворота битового значения или «физической усталости битов», потери физического бита в хранилище, его способности поддерживать различимое значение (0 или 1), или из-за ошибок во внутренних или внутренних процессах. компьютерная связь. Случайный переворот битов (например, из-за случайного излучения) обычно исправляется при обнаружении. Бит или группа неисправных физических битов (не всегда известен конкретный дефектный бит; определение группы зависит от конкретного запоминающего устройства) обычно автоматически изолируются, выводятся из использования устройством и заменяются другой функционирующей эквивалентной группой в устройстве, где восстанавливаются исправленные битовые значения (если возможно). Метод циклического контроля избыточности (CRC) обычно используется при обмене данными и хранении для обнаружения ошибок . Обнаруженная ошибка затем повторяется.

Методы сжатия данных позволяют во многих случаях (например, в базе данных) представлять строку битов более короткой строкой битов («сжатие») и при необходимости восстанавливать исходную строку («распаковывать»). При этом используется значительно меньше хранилища (десятки процентов) для многих типов данных за счет большего объема вычислений (сжимайте и распаковывайте при необходимости). Анализ компромисса между экономией на хранении и затратами на связанные вычисления и возможными задержками в доступности данных проводится до принятия решения о том, сохранять ли определенные данные сжатыми или нет.

По соображениям безопасности некоторые типы данных (например, информация о кредитной карте) могут храниться в зашифрованном виде в хранилище, чтобы предотвратить возможность несанкционированного восстановления информации из фрагментов моментальных снимков хранилища.

Иерархия хранения [ править ]

Эта статья противоречит статье « Иерархия памяти» . См. Обсуждение на связанной странице обсуждения . ( Март 2013 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Как правило, чем ниже в иерархии находится хранилище, тем меньше его пропускная способность и тем больше задержка доступа со стороны ЦП. Это традиционное разделение хранилища на первичное, вторичное, третичное и автономное также зависит от стоимости за бит.

В современном использовании «память» - это обычно полупроводниковое запоминающее устройство с произвольным доступом для чтения и записи , обычно DRAM (динамическое ОЗУ) или другие формы быстрого, но временного запоминающего устройства. «Хранилище» состоит из запоминающих устройств и их носителей, к которым ЦП напрямую не может получить доступ ( вторичное или третичное запоминающее устройство ), обычно жесткие диски , приводы оптических дисков и другие устройства, работающие медленнее, чем ОЗУ, но энергонезависимые (сохраняющие содержимое при отключении питания). ^[2]

Исторически память называлась основной памятью , основной памятью , реальной памятью или внутренней памятью . Между тем, энергонезависимые запоминающие устройства упоминаются как вторичная память , внешняя память или вспомогательная / периферийная память .

Основное хранилище [ править ]

Первичная память (также известная как основная память, внутренняя память или основная память ), часто называемая просто памятью , является единственной, непосредственно доступной для ЦП. ЦП непрерывно считывает хранящиеся там инструкции и выполняет их по мере необходимости. Любые данные, с которыми активно работают, также хранятся там единообразно.

Исторически сложилось так, что в ранних компьютерах в качестве основного хранилища использовались линии задержки , трубки Вильямса или вращающиеся магнитные барабаны . К 1954 году эти ненадежные методы были в основном заменены памятью на магнитных сердечниках . Ядро памяти оставалось доминирующим до 1970-х годов, когда достижения в технологии интегральных схем позволили полупроводниковой памяти стать экономически конкурентоспособной.

Это привело к созданию современной оперативной памяти (RAM). Он малогабаритный, легкий, но при этом достаточно дорогой. (Конкретные типы ОЗУ, используемые для первичной памяти, также являются энергозависимыми , т. Е. Теряют информацию при отключении питания).

Как показано на схеме, традиционно есть еще два подуровня первичного хранилища, помимо основной оперативной памяти большой емкости:

• Регистры процессора расположены внутри процессора. Каждый регистр обычно содержит слово данных (часто 32 или 64 бита). Команды ЦП инструктируют арифметико-логический блок выполнять различные вычисления или другие операции с этими данными (или с их помощью). Регистры - это самый быстрый из всех способов хранения компьютерных данных.
• Кэш процессора - это промежуточный этап между сверхбыстрыми регистрами и гораздо более медленной основной памятью. Он был введен исключительно для повышения производительности компьютеров. Наиболее активно используемая информация в основной памяти просто дублируется в кэш-памяти, которая работает быстрее, но имеет гораздо меньшую емкость. С другой стороны, основная память намного медленнее, но имеет гораздо большую емкость, чем регистры процессора. Также обычно используется многоуровневая иерархическая настройка кэша - первичный кэш является самым маленьким, самым быстрым и расположен внутри процессора; вторичный кеш немного больше и медленнее.

Основная память прямо или косвенно связана с центральным процессором через шину памяти . Фактически это две шины (не на схеме): адресная шина и шина данных . ЦП сначала отправляет число через адресную шину, число, называемое адресом памяти , которое указывает желаемое расположение данных. Затем он считывает или записывает данные в ячейки памяти с помощью шины данных. Кроме того, блок управления памятью (MMU) - это небольшое устройство между ЦП и ОЗУ, пересчитывающее фактический адрес памяти, например, для обеспечения абстракции виртуальной памяти или других задач.

Поскольку типы RAM, используемые для первичного хранилища, являются энергозависимыми (не инициализируются при запуске), компьютер, содержащий только такое хранилище, не будет иметь источника для чтения инструкций для запуска компьютера. Следовательно, энергонезависимая первичная память, содержащая небольшую программу запуска ( BIOS ), используется для начальной загрузки компьютера, то есть для чтения более крупной программы из энергонезависимой вторичной памяти в ОЗУ и начала ее выполнения. Энергонезависимая технология, используемая для этой цели, называется ПЗУ, что означает постоянную память (терминология может несколько сбивать с толку, поскольку большинство типов ПЗУ также поддерживают произвольный доступ ).

Многие типы «ПЗУ» буквально не предназначены только для чтения , поскольку их обновления возможны; однако он медленный, и перед повторной записью память необходимо стирать большими частями. Некоторые встроенные системы запускают программы непосредственно из ПЗУ (или аналогичного), потому что такие программы редко меняются. Стандартные компьютеры не хранят неэлементарные программы в ПЗУ, а, скорее, используют большую емкость вторичной памяти, которая также является энергонезависимой и не такой дорогой.

В последнее время первичное хранилище и вторичное хранилище в некоторых случаях относятся к тому, что исторически называлось, соответственно, вторичным хранилищем и третичным хранилищем . ^[3]

Вторичное хранилище [ править ]

Вторичная память (также известная как внешняя память или вспомогательная память ) отличается от первичной памяти тем, что она не доступна напрямую для ЦП. Компьютер обычно использует свои каналы ввода / вывода для доступа к вторичной памяти и передачи требуемых данных в первичную память. Вторичное хранилище является энергонезависимым (сохраняет данные при отключении питания). Современные компьютерные системы обычно имеют на два порядка больше вторичного хранилища, чем первичного, потому что вторичное хранилище дешевле.

В современных компьютерах в качестве вторичного хранилища обычно используются жесткие диски (HDD) или твердотельные накопители (SSD). Время доступа к байту для жестких дисков или твердотельных накопителей обычно измеряется в миллисекундах (одна тысячная секунда), в то время как время доступа к байту для первичного хранилища измеряется в наносекундах (одна миллиардная секунда). Таким образом, вторичное хранилище значительно медленнее, чем первичное хранилище. У вращающихся оптических запоминающих устройств, таких как приводы компакт-дисков и DVD- дисков, время доступа еще больше. Другие примеры технологий вторичного хранения включают USB-накопители , гибкие диски и т. Д.магнитная лента , бумажная лента , перфокарты и RAM-диски .

Как только дисковая головка чтения / записи на жестких дисках достигает надлежащего места и данных, последующие данные на дорожке становятся доступными очень быстро. Чтобы уменьшить время поиска и задержку вращения, данные передаются на диски и с дисков большими непрерывными блоками. Последовательный или блочный доступ к дискам на порядки быстрее, чем произвольный доступ, и было разработано множество сложных парадигм для разработки эффективных алгоритмов, основанных на последовательном и блочном доступе. Другой способ уменьшить узкое место ввода-вывода - использовать несколько дисков параллельно, чтобы увеличить пропускную способность между первичной и вторичной памятью. ^[4]

Вторичное хранилище часто форматируется в соответствии с форматом файловой системы , который обеспечивает абстракцию, необходимую для организации данных в файлы и каталоги , а также предоставляет метаданные, описывающие владельца определенного файла, время доступа, разрешения доступа и другую информацию.

В большинстве компьютерных операционных систем используется концепция виртуальной памяти , позволяющая использовать больше емкости первичной памяти, чем физически доступно в системе. По мере заполнения первичной памяти система перемещает наименее используемые фрагменты ( страницы ) в файл подкачки или файл подкачки во вторичном хранилище, извлекая их позже, когда это необходимо. Если много страниц перемещается в более медленное вторичное хранилище, производительность системы снижается.

Третичное хранилище [ править ]

Третичная память или третичная память ^[5] - это уровень ниже вторичной памяти. Как правило, он включает в себя роботизированный механизм, который будет устанавливать (вставлять) и демонтировать съемные носители информации в запоминающее устройство в соответствии с требованиями системы; такие данные часто копируются во вторичное хранилище перед использованием. Он в основном используется для архивирования редко используемой информации, поскольку он намного медленнее, чем вторичное хранилище (например, 5–60 секунд против 1–10 миллисекунд). Это в первую очередь полезно для чрезвычайно больших хранилищ данных, доступ к которым осуществляется без участия человека. Типичные примеры включают ленточные библиотеки и оптические музыкальные автоматы .

Когда компьютеру требуется прочитать информацию из третичного хранилища, он сначала обращается к базе данных каталога, чтобы определить, на какой ленте или диске содержится информация. Затем компьютер даст команду роботу-манипулятору извлечь носитель и поместить его в привод. Когда компьютер закончит считывать информацию, роботизированная рука вернет носитель на свое место в библиотеке.

Третичное хранилище также известно как оперативное хранилище, потому что оно «близко к оперативному». Формальное различие между оперативным, оперативным и автономным хранилищами: ^[6]

• Онлайн-хранилище сразу же доступно для ввода-вывода.
• Хранилище Nearline доступно не сразу, но может быть быстро выполнено онлайн без вмешательства человека.
• Автономное хранилище доступно не сразу, и для его подключения к сети требуется вмешательство человека.

Например, постоянно включенные вращающиеся жесткие диски представляют собой оперативное хранилище, в то время как вращающиеся диски, которые автоматически останавливаются , например, в массивных массивах бездействующих дисков ( MAID ), являются хранилищем на постоянной основе. Съемные носители, такие как ленточные картриджи, которые могут загружаться автоматически, как в ленточных библиотеках , представляют собой почти оперативное хранилище, а ленточные картриджи, которые необходимо загружать вручную, являются автономным хранилищем.

Автономное хранилище [ править ]

Автономное хранилище - это компьютерное хранилище данных на носителе или устройстве, которое не находится под управлением процессора . ^[7] Носитель записывается, обычно на вторичном или третичном запоминающем устройстве, а затем физически удаляется или отключается. Он должен быть вставлен или подключен оператором, прежде чем компьютер снова сможет получить к нему доступ. В отличие от третичного хранилища, к нему нельзя получить доступ без вмешательства человека.

Автономное хранилище используется для передачи информации , так как отсоединенный носитель можно легко физически транспортировать. Кроме того, это полезно в случаях бедствия, когда, например, пожар уничтожает исходные данные, а носитель в удаленном месте не пострадает, что обеспечивает аварийное восстановление . Автономное хранилище повышает общую информационную безопасность , поскольку оно физически недоступно с компьютера, а конфиденциальность или целостность данных не могут быть затронуты компьютерными атаками. Кроме того, если доступ к информации, хранящейся для архивных целей, осуществляется редко, автономное хранение обходится дешевле, чем третичное хранение.

В современных персональных компьютерах большинство вторичных и третичных носителей информации также используются для автономного хранения. Оптические диски и устройства флэш-памяти являются наиболее популярными, и в гораздо меньшей степени съемными жесткими дисками. На предприятиях преобладает магнитная лента. Более старые примеры - дискеты, Zip-диски или перфокарты.

Характеристики хранилища [ править ]

Технологии хранения на всех уровнях иерархии хранения можно различать, оценивая определенные основные характеристики, а также измеряя характеристики, характерные для конкретной реализации. Эти основные характеристики - изменчивость, изменчивость, доступность и адресуемость. Для любой конкретной реализации любой технологии хранения стоит измерить характеристики - это емкость и производительность.

Волатильность [ править ]

Энергонезависимая память сохраняет сохраненную информацию даже в том случае, если на нее не постоянно подается электроэнергия. ^[8] Подходит для длительного хранения информации. Энергозависимая память требует постоянного питания для поддержания хранимой информации. Самые быстрые технологии памяти - энергозависимые, хотя это не универсальное правило. Поскольку первичное хранилище должно быть очень быстрым, оно в основном использует энергозависимую память.

Динамическая память с произвольным доступом - это форма энергозависимой памяти, которая также требует, чтобы хранимая информация периодически перечитывалась и перезаписывалась или обновлялась , иначе она исчезла бы. Статическая память с произвольным доступом - это разновидность энергозависимой памяти, аналогичной DRAM, за исключением того, что ее никогда не нужно обновлять, пока подается питание; он теряет свое содержание при потере питания.

Источник бесперебойного питания (ИБП) может использоваться для предоставления компьютеру короткого промежутка времени для перемещения информации из основного энергозависимого хранилища в энергонезависимое хранилище до того, как батареи разрядятся. Некоторые системы, например EMC Symmetrix , имеют встроенные батареи, обеспечивающие энергозависимое хранение в течение нескольких минут.

Изменчивость [ править ]

Чтение / запись хранилища или изменяемого хранилища

Позволяет перезаписывать информацию в любое время. Компьютер без некоторого объема хранилища для чтения / записи для целей основного хранилища был бы бесполезен для многих задач. Современные компьютеры обычно используют хранилище для чтения / записи также в качестве вторичного хранилища.

Медленная запись, быстрое чтение хранилища

Хранение для чтения / записи, которое позволяет перезаписывать информацию несколько раз, но при этом операция записи намного медленнее, чем операция чтения. Примеры включают CD-RW и SSD .

Запись однократного хранения

Запись один раз, много прочтений (WORM) позволяет записать информацию только один раз в определенный момент после изготовления. Примеры включают полупроводниковую программируемую постоянную память и CD-R .

Хранилище только для чтения

Сохраняет информацию, хранящуюся на момент изготовления. Примеры включают в себя ИС ПЗУ с маской и CD-ROM .

Доступность [ править ]

Произвольный доступ

Доступ к любому месту в хранилище можно получить в любой момент примерно за такое же время. Такая характеристика хорошо подходит для первичного и вторичного хранилища. Большинство полупроводниковых запоминающих устройств и дисководов обеспечивают произвольный доступ.

Последовательный доступ

Доступ к частям информации будет происходить в последовательном порядке, один за другим; поэтому время доступа к определенному фрагменту информации зависит от того, к какому фрагменту информации был осуществлен последний доступ. Такая характеристика характерна для автономных хранилищ.

Адресуемость [ править ]

С возможностью адресации по местоположению

Каждой индивидуально доступной единице информации в хранилище выбирается ее числовой адрес в памяти . В современных компьютерах хранилище с адресацией местоположения обычно ограничивается первичным хранилищем, доступ к которому осуществляется внутри компьютерных программ, поскольку адресация местоположения очень эффективна, но обременительна для людей.

Адресный файл

Информация разделена на файлы переменной длины, и конкретный файл выбирается с удобочитаемым каталогом и именами файлов. Базовое устройство по-прежнему является адресуемым, но операционная система компьютера предоставляет абстракцию файловой системы, чтобы сделать операцию более понятной. В современных компьютерах вторичные, третичные и автономные хранилища используют файловые системы.

С адресацией к содержимому

Каждая индивидуально доступная единица информации выбирается на основе (части) содержимого, хранящегося в ней. Хранилище с адресацией по содержимому может быть реализовано с использованием программного обеспечения (компьютерная программа) или аппаратного обеспечения (компьютерное устройство), причем оборудование будет более быстрым, но более дорогим. Адресуемая память с аппаратным содержимым часто используется в кэше ЦП компьютера .

Вместимость [ править ]

Сырая емкость

Общий объем хранимой информации, которую может содержать запоминающее устройство или носитель. Выражается как количество бит или байтов (например, 10,4 мегабайта ).

Плотность памяти

Компактность хранимой информации. Это емкость носителя, разделенная на единицы длины, площади или объема (например, 1,2 мегабайта на квадратный дюйм).

Производительность [ править ]

Задержка

Время, необходимое для доступа к определенному месту в хранилище. Соответствующей единицей измерения обычно является наносекунда для первичной памяти, миллисекунда для вторичной памяти и секунда для третичной памяти. Может иметь смысл разделить задержку чтения и задержку записи (особенно для энергонезависимой памяти ^[8] ), а в случае хранения с последовательным доступом - минимальную, максимальную и среднюю задержку.

Пропускная способность

Скорость, с которой информация может быть прочитана или записана в хранилище. В компьютерном хранилище данных пропускная способность обычно выражается в мегабайтах в секунду (МБ / с), хотя также может использоваться скорость передачи данных . Как и в случае с задержкой, может потребоваться различать скорость чтения и скорость записи. Последовательный, а не случайный доступ к мультимедиа обычно обеспечивает максимальную пропускную способность.

Гранулярность

Размер самого большого «фрагмента» данных, к которому можно эффективно получить доступ как к единой единице, например, без введения дополнительной задержки.

Надежность

Вероятность спонтанного изменения битового значения при различных условиях или общая частота отказов .

Такие утилиты, как hdparm и sar, можно использовать для измерения производительности ввода-вывода в Linux.

Использование энергии [ править ]

• Устройства хранения, которые сокращают использование вентиляторов, автоматически отключаются при простое, и жесткие диски с низким энергопотреблением могут снизить потребление энергии на 90 процентов. ^[9]
• 2,5-дюймовые жесткие диски часто потребляют меньше энергии, чем более крупные. ^{[10] [11]} Твердотельные диски малой емкости не имеют движущихся частей и потребляют меньше энергии, чем жесткие диски. ^{[12] [13] [14]} Кроме того, память может потреблять больше энергии, чем жесткие диски. ^[14] Большие кеши, которые используются, чтобы не повредить стену памяти , также могут потреблять большое количество энергии. ^[15]

Безопасность [ править ]

Полное шифрование диска , объем и шифрование виртуального диска, Андор шифрование файлов / папок легко доступны для большинства устройств хранения данных. ^[16]

Аппаратное шифрование памяти доступно в архитектуре Intel и поддерживает полное шифрование памяти (TME) и страничное шифрование памяти с несколькими ключами (MKTME). ^{[17] [18]} и в поколении SPARC M7 с октября 2015 года. ^[19]

Носители данных [ править ]

По состоянию на 2011 год ^[update]наиболее часто используемыми носителями для хранения данных являются полупроводниковые, магнитные и оптические, в то время как бумага все еще используется в ограниченном объеме. Некоторые другие фундаментальные технологии хранения, такие как all-flash array (AFA), предлагаются для разработки.

Полупроводник [ править ]

В полупроводниковой памяти для хранения информации используются микросхемы интегральных схем (ИС) на основе полупроводников . Данные обычно хранятся в ячейках памяти металл-оксид-полупроводник (MOS) . Микросхема полупроводниковой памяти может содержать миллионы ячеек памяти, состоящих из крошечных полевых МОП-транзисторов (МОП-транзисторов) и / или МОП-конденсаторов . Обе летучие и нелетучие формы полупроводниковой памяти существуют, бывший с использованием стандартных МОП - транзисторов , а вторые с использованием плавающей затвора МОП - транзисторов .

В современных компьютерах первичная память почти исключительно состоит из динамической энергозависимой полупроводниковой памяти с произвольным доступом (RAM), особенно динамической памяти с произвольным доступом (DRAM). С начала века тип энергонезависимой полупроводниковой памяти с плавающим затвором, известный как флэш-память , постепенно завоевывает популярность в качестве автономного хранилища для домашних компьютеров. Энергонезависимая полупроводниковая память также используется для вторичного хранения в различных современных электронных устройствах и специализированных компьютерах, которые предназначены для них.

Еще в 2006 году производители ноутбуков и настольных компьютеров начали использовать твердотельные накопители (SSD) на основе флеш- памяти в качестве вариантов конфигурации по умолчанию для вторичного хранилища в дополнение к более традиционным жестким дискам или вместо них. ^{[20] [21] [22] [23] [24]}

Магнитный [ править ]

Магнитное хранилище использует различные шаблоны намагничивания на поверхности с магнитным покрытием для хранения информации. Магнитное хранилище энергонезависимо . Доступ к информации осуществляется с помощью одной или нескольких головок чтения / записи, которые могут содержать один или несколько преобразователей записи. Головка чтения / записи покрывает только часть поверхности, поэтому головку или носитель, или и то, и другое необходимо перемещать относительно другого для доступа к данным. В современных компьютерах магнитное хранилище будет иметь следующие формы:

• Магнитный диск
  • Дискета , используемая для автономного хранения
  • Жесткий диск , используемый для вторичного хранилища
• Магнитная лента , используемая для третичного и автономного хранения
• Карусель с памятью (магнитные ролики)

В ранних компьютерах магнитное хранилище также использовалось как:

• Первичная хранение в виде магнитной памяти или оперативной памяти , памяти ядра каната , памяти тонкопленочной и / или твисторной памяти .
• Третичное (например, NCR CRAM ) или автономное хранилище в виде магнитных карт.
• Магнитная лента тогда часто использовалась для вторичного хранения.

Магнитное хранилище не имеет определенного ограничения циклов перезаписи, такого как флэш-накопитель и перезаписываемый оптический носитель, поскольку изменение магнитных полей не вызывает физического износа. Скорее их срок службы ограничен механическими частями. ^{[25] [26]}

Оптический [ править ]

Оптический накопитель , типичный оптический диск , хранит информацию в деформациях на поверхности круглого диска и считывает эту информацию, освещая поверхность лазерным диодом и наблюдая за отражением. Хранение на оптических дисках энергонезависимо . Деформации могут быть постоянными (носители только для чтения), образованными однократно (носители с однократной записью) или обратимыми (носители с возможностью записи или чтения / записи). В настоящее время широко используются следующие формы: ^[27]

• CD , CD-ROM , DVD , BD-ROM : постоянное хранилище, используемое для массового распространения цифровой информации (музыка, видео, компьютерные программы)
• CD-R , DVD-R , DVD + R , BD-R : однократно записываемое хранилище, используется для третичного и автономного хранилища
• CD-RW , DVD-RW , DVD + RW , DVD-RAM , BD-RE : Хранение с медленной записью, быстрым чтением, используется для третичного и автономного хранения
• Ultra Density Optical или UDO аналогичен по емкости BD-R или BD-RE и представляет собой хранилище с медленной записью и быстрым чтением, используемое для третичного и автономного хранилища.

Магнитооптический диск - это хранилище на оптическом диске, где информация хранится в магнитном состоянии на ферромагнитной поверхности. Информация считывается оптически и записывается путем сочетания магнитных и оптических методов. Хранение магнито-оптический диск энергонезависимая , последовательный доступ , медленно записи, скорость считывания хранения используется для третичной и офф-лайн хранения.

Также было предложено трехмерное оптическое хранилище данных .

Плавление намагниченности, индуцированное светом, в магнитных фотопроводниках также было предложено для высокоскоростной магнитооптической памяти с низким потреблением энергии. ^[28]

Бумага [ править ]

Хранение данных на бумаге , обычно в форме бумажной ленты или перфокарт , долгое время использовалось для хранения информации для автоматической обработки, особенно до появления компьютеров общего назначения. Информация записывалась путем пробивания отверстий в бумажном или картонном носителе и считывалась механически (или позже оптически), чтобы определить, было ли конкретное место на носителе твердым или содержало отверстие. Некоторые технологии позволяют людям делать отметки на бумаге, которые легко читаются машиной - они широко используются для подсчета голосов и оценки стандартизированных тестов. Штрих-коды позволили любому объекту, который должен был быть продан или транспортирован, иметь некоторую компьютерно-читаемую информацию, надежно прикрепленную к нему.

Другие носители или подложки [ править ]

Память на вакуумных лампах

В трубке Вильямса использовалась электронно-лучевая трубка , а в трубке Selectron использовалась большая вакуумная трубка для хранения информации. Эти первичные запоминающие устройства были недолговечными на рынке, так как лампа Вильямса была ненадежной, а лампа Selectron была дорогой.

Электроакустическая память

В памяти линии задержки для хранения информации использовались звуковые волны в таком веществе, как ртуть . Память линии задержки была динамически изменчивой, запоминающей с последовательным циклом чтения / записи и использовалась в качестве первичной памяти.

Оптическая лента

представляет собой носитель для оптического хранения, обычно состоящий из длинной и узкой полосы пластика, на которой можно писать рисунки и с которой рисунки можно считывать обратно. Он разделяет некоторые технологии с кинопленкой и оптическими дисками, но не совместим ни с одним из них. Мотивом разработки этой технологии была возможность иметь гораздо большую емкость хранения, чем магнитная лента или оптические диски.

Фазовая память

использует различные механические фазы материала с фазовым переходом для хранения информации в матрице с XY-адресацией и считывает информацию, наблюдая за изменяющимся электрическим сопротивлением материала. Память с фазовым переходом будет энергонезависимой памятью с произвольным доступом для чтения / записи и может использоваться для первичного, вторичного и автономного хранения. Большинство перезаписываемых и многие записывающие оптические диски уже используют материал с фазовым переходом для хранения информации.

Голографическое хранилище данных

хранит информацию оптически внутри кристаллов или фотополимеров . Голографическое хранилище может использовать весь объем носителя данных, в отличие от хранилища на оптических дисках, которое ограничено небольшим количеством поверхностных слоев. Голографическое хранилище будет энергонезависимым, с последовательным доступом и либо однократной записью, либо хранилищем для чтения / записи. Его можно использовать для вторичного и автономного хранилища. См. Универсальный голографический диск (HVD).

Молекулярная память

хранит информацию в полимере, который может накапливать электрический заряд. Молекулярная память может быть особенно подходящей для первичного хранения. Теоретическая емкость молекулярной памяти составляет 10 терабит на квадратный дюйм. ^[29]

Магнитные фотопроводники

хранить магнитную информацию, которая может быть изменена при слабом освещении. ^[28]

ДНК

хранит информацию в нуклеотидах ДНК . Впервые это было сделано в 2012 году, когда исследователи достигли соотношения 1,28 петабайт на грамм ДНК. В марте 2017 года ученые сообщили, что новый алгоритм, называемый фонтаном ДНК, достиг 85% от теоретического предела - 215 петабайт на грамм ДНК. ^{[30] [31] [32] [33]}

Связанные технологии [ править ]

Избыточность [ править ]

В то время как неисправность группы битов может быть решена с помощью механизмов обнаружения и исправления ошибок (см. Выше), неисправность устройства хранения требует различных решений. Следующие решения обычно используются и подходят для большинства устройств хранения:

• Зеркальное отображение устройства (репликация) . Распространенным решением проблемы является постоянное поддержание идентичной копии содержимого устройства на другом устройстве (обычно того же типа). Обратной стороной является то, что это удваивает объем хранилища, и оба устройства (копии) необходимо обновлять одновременно с некоторыми накладными расходами и, возможно, с некоторыми задержками. Положительным моментом является возможность одновременного чтения одной и той же группы данных двумя независимыми процессами, что увеличивает производительность. Когда одно из реплицированных устройств обнаруживается как дефектное, другая копия все еще работает и используется для создания новой копии на другом устройстве (обычно доступном для этой цели в пуле резервных устройств).
• Избыточный массив независимых дисков ( RAID ) - этот метод обобщает описанное выше зеркалирование устройств, позволяя одному устройству в группе из N устройств выйти из строя и заменить его восстановленным содержимым (зеркалирование устройств - это RAID с N = 2). Группы RAID из N = 5 или N = 6 являются общими. N> 2 экономит память по сравнению с N = 2 за счет увеличения объема обработки как при обычной работе (часто с пониженной производительностью), так и при замене неисправного устройства.

Зеркалирование устройств и типичный RAID предназначены для обработки отказа одного устройства в группе устройств RAID. Однако если второй сбой произойдет до того, как группа RAID будет полностью восстановлена ​​после первого сбоя, данные могут быть потеряны. Вероятность единичного отказа обычно мала. Таким образом, вероятность двух сбоев в одной и той же RAID-группе во временной близости намного меньше (приблизительно квадрат вероятности, т. Е. Умноженный на себя). Если база данных не может выдержать даже такую ​​меньшую вероятность потери данных, тогда сама группа RAID реплицируется (зеркалируется). Во многих случаях такое зеркальное отображение выполняется географически удаленно, в другом массиве хранения, чтобы обрабатывать также восстановление после сбоев (см. Аварийное восстановление выше).

Сетевое подключение [ править ]

Вторичное или третичное хранилище может подключаться к компьютеру, использующему компьютерные сети . Эта концепция не относится к первичному хранилищу, которое в меньшей степени совместно используется несколькими процессорами.

• Хранилище с прямым подключением (DAS) - это традиционное хранилище большой емкости, которое не использует сеть. Это по-прежнему самый популярный подход. Этот ретроним был придуман недавно вместе с NAS и SAN.
• Сетевое хранилище (NAS) - это хранилище большой емкости, подключенное к компьютеру, к которому другой компьютер может получить доступ на уровне файлов через локальную сеть , частную глобальную сеть или, в случае онлайн-хранилища файлов , через Интернет . NAS обычно ассоциируется с протоколами NFS и CIFS / SMB .
• Сеть хранения данных (SAN) - это специализированная сеть, которая предоставляет другим компьютерам емкость хранения. Ключевое различие между NAS и SAN заключается в том, что NAS предоставляет клиентским компьютерам файловые системы и управляет ими, в то время как SAN обеспечивает доступ на уровне блочной адресации (необработанный), оставляя подключенным системам управление данными или файловыми системами в пределах предоставленной емкости. SAN обычно ассоциируется с сетями Fibre Channel .

Роботизированное хранилище [ править ]

Большие количества индивидуальных магнитных лент и оптических или магнитооптических дисков могут храниться в роботизированных третичных запоминающих устройствах. В области хранения на магнитной ленте они известны как ленточные библиотеки , а в области оптического хранения - оптические музыкальные автоматы или библиотеки оптических дисков по аналогии. Наименьшие формы любой технологии, содержащие только одно приводное устройство, называются автозагрузчиками или автопереключателями .

Устройства хранения с роботизированным доступом могут иметь несколько слотов, каждый из которых содержит отдельные носители, и обычно один или несколько роботов-захватчиков, которые проходят через слоты и загружают носители во встроенные диски. Расположение слотов и устройств захвата влияет на производительность. Важными характеристиками такого хранилища являются возможные варианты расширения: добавление слотов, модулей, накопителей, роботов. Ленточные библиотеки могут иметь от 10 до более чем 100 000 слотов и обеспечивать терабайты или петабайты информации, близкой к линии. Оптические музыкальные автоматы - это несколько меньшие по размеру решения, до 1000 слотов.

Роботизированное хранилище используется для резервного копирования , а также для архивов большой емкости в области обработки изображений, медицины и видео. Иерархическое управление хранилищем - это наиболее известная стратегия архивирования, заключающаяся в автоматическом переносе давно неиспользуемых файлов с жесткого диска в библиотеки или музыкальные автоматы. Если файлы необходимы, они загружаются обратно на диск.

См. Также [ править ]

В Викиверситете есть учебные ресурсы о компьютерном хранении данных

Основные темы хранения [ править ]

• Диафрагма (память компьютера)
• Динамическая память с произвольным доступом (DRAM)
• Задержка памяти
• Массовая память
• Ячейка памяти (значения)
• Управление памятью
  • Распределение динамической памяти
    • Утечка памяти
  • Виртуальная память
• Защита памяти
• Реестр адресов страниц
• Статическая оперативная память (SRAM)
• Стабильное хранение

Темы вторичного, третичного и автономного хранилища [ править ]

• Облачное хранилище
• Дедупликация данных
• Распространение данных
• Тег хранилища данных, используемый для сбора данных исследования
• Файловая система
  • Список форматов файлов
• Флэш-память
• Информационное хранилище
• Съемные медиа
• Твердотельный накопитель
• Шпиндель
• Виртуальная ленточная библиотека
• Состояние ожидания
• Буфер записи
• Защита от записи
• Обнаружение максимального правдоподобия с прогнозированием шума
• Объектное (-базовое) хранилище

Конференции по хранению данных [ править ]

• Мир сетей хранения данных
• Всемирная конференция по хранению

Ссылки [ править ]

 Эта статья включает  материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C» .

Дальнейшее чтение [ править ]

• Года, К .; Кицурегава, М. (2012). «История систем хранения» . Труды IEEE . 100 : 1433–1440. DOI : 10.1109 / JPROC.2012.2189787 .
• Память и хранение , Музей истории компьютеров