A számítógépes adattárolás

Az adathordozó eszközök kialakulása és fejlődése

A kezdet

1805-ben Joseph Marie Jacquard először felhasználta a lyukkártyát szövőgépéhez, ezzel megalkotta az első automatikus szövőgépet

PPT Slide

A szövőgép

Lyukkártya és lyukszalag

• első adathordozók

• papír alapúak

• megfelelő kódrendszer szerinti perforálás

• külön lyuaksztó és leolvasó

• lassú munka

• nem változtatható

PPT Slide

Lyukkártya

PPT Slide

Lyukkártya

Charles Babbage

Egy este Cambridge-ben, az Analytical Society (Analitikai Társaság) helyiségében üldögéltem, a fejemet – némileg álmodozva – előrehajtottam az asztalra, ahol egy nyitott logaritmustáblázat hevert. Amint a Társaság egy másik tagja bejött a szobába és meglátta, hogy félig alszom, odaszólt: – ?nocsak, Babbage, miről álmodik?? Amire azt válaszoltam, hogy – ?azon gondolkodom, hogy ezeket a táblázatokat (mutattam a logaritmustáblázatra) géppel is ki lehetne számítani.?– 1813

1855: bemutatják Babbage differenciagépét 1855-ben a Párizsi világkiállításon, ahol aranyérmet nyer.

PPT Slide

Babbage: Differenciagép

PPT Slide

Analitikus gépek

PPT Slide

• Karl W. T. Weierstrass (1815–1897) matematikai tétele: bármely folytonos függvény egy adott intervallumon tetszőleges mértékben megközelíthető polinommal. Minden polinom fölépíthető továbbá differenciatáblázatok segítségével. Babbage differenciagépe hatodfokú polinomok kezelésére készült. A gép pontosan és korlátlan terjedelemben táblázatba tudta foglalni azokat a sorozatokat, amelyeknek általános alakja a lenti formába foglalható, továbbá közelítőleg, szűkebb vagy tágabb határok között minden más sorozatot is, amelynek kezelésére a differenciák módszere alkalmas.

PPT Slide

Babbage gépének az eredményeit rögzíteni kellett. Ezt lehetett úgy, hogy a kezelő személy papírra vetette az adatokat, de ez nehézkesnek bizonyult, ezért alkalmazták a lyukkártyát

Később az első nagy amerikai népszámlálás adatainak rögzítéséhez használták fel a lyukkártyát, ezzel megkönnyítve a feldolgozást, és lerövidítve annak idejét.

Herman Hollerith volt az ötlet átvevője, és róla nevezték el a lyukkártyát: Hollerith-card, majd később IBM-card.

PPT Slide

„Babbage Card”

PPT Slide

Hollerith 1896-ban megalapította a Tabulating Machine Company-t New Yorkban, amely az IBM Corporation elődje volt. A cég a lyukkártyákkal kapcsolatos gépeket forgalmazta, és általa Hollerith nagy piacot szerzett gépeinek.

1940 után a számítógépek fejlődésével új fajta lyukkártyák és kódrendszerek jöttek létre. A lyukasztó szerkezet lehet automatikus, amit egy számítógépes periféria, a lyukasztó végzett (card punch), vagy kézi, amit a keypunch machine nevű géppel végezhetett a kezelő.

PPT Slide

Hollerith gépei: a népszámláláshoz használt gép (balra fent)

Hollerith távírója (jobbra fent)

a távíró érzékelője (lent)

PPT Slide

Keypunch

A mágneses tároló

• 1888: Oblein Smith javaslatot tesz az adatok mágneses tárolására

• 1895: Poulsen feltalálta a mágneses felvevőt

PPT Slide

A mágnesszalagok és -lemezek megjelenésével a lyukkártya fokozatosan háttérbe szorult. Az 1980-as évekre már alkalmatlanná vált a számítógépes adatok tárolására.

Memóriák

• Hierarchiát alkotnak: elő-memóriák (gyorsak), operatív memóriák (épp futó prg., feldolgozás alatt álló adatok), háttértárolók.

• Memóriák jellemzése: tárolóképesség, elérési és ciklusidő, hozzáférési szélesség, adatátviteli sebesség, elérési rendszer

Elérési rendszerek

• sorbanállásos (First In First Out)

• verem (Last In First Out)

• ciklikus

• véletlen

• asszociatív

Memória fajták

• RWM (Read-Write Memory)

• ROM (Read-Only Memory)

• RWM:
  • felejtő - nem felejtő
  • törlődő - nem törlődő
  • statikus - dinamikus

Ferrit gyűrűs tároló

• Ferrit anyagból készült gyűrű formára (vasmagra) tekercselt vezetéken át áramot vezetünk. Az áram iránya szabja meg a mágnesesség irányát.

áram

Mágneses adattárolók

• az adathordozó felületén lévő réteg alkalmas arra, hogy kétállapotú jeleket rögzítsen

• a mágneses háttértárak fő részei:

- a mágneses felületű adathordozó

- az adathordozó mozgását, írását, olvasását

végző berendezés („meghajtó”)

A mágneses adattárolók csoportosításaaz elérési mód szerint

• soros elérésű adattárolók: mágnesdob, mágnesszalag, mágneskazetta

• közvetlen elérésű adattárolók: mágneslemez, winchester, hajlékony lemez

Csoportosítás a felhasználási terület alapján

• nagygépes adattárolók a mágneslemez-csomag és a mágnesszalag

• kisgépes adattárolók a hajlékony lemez és a mágneskazetta

• nagy- és kis számítógépekben használják a ma legelterjedtebb háttértárat, a merevlemezt (winchester)

A háttértárak legfontosabb tulajdonságai

• Kapacitás (kilobyte, megabyte, gigabyte)

• sebesség, adathozzáférési idő (ms)

• adatsűrűség, hány bit tárolható egy inch adathordozón (bpi, bit per inch)

Mágnesdob

• hosszúkás henger: kb. 500-1000 párhuzamos csík, mindhez külön 3 fej

• légmentesen lezárt búra

• motor (50 fordulat/sec.)

• hozzáférési idő maximum 20 ezredsec.

• időadónak is használták (mint az órajelgenerátor)

A mágnesszalagos adattárolás előnyei és hátránya

A mágnesszalag egy széles, mágneses felületű műanyag szalag.

Előnyei: nagy adatsűrűség, alacsony ár, cserélhetőség

Hátránya: a soros hozzáférés

A mágnesszalag felépítése

Az adatok állandó méretű blokkokban helyezkednek el, melyeket üres részek (gap-ek) választanak el egymástól. A szalag elején és végén adattárolásra nem használt befűző részek találhatóak. A szalag végét alumíniumcsík jelzi.

A szalagokon több egymás mellett futó sávon tárolják az adatokat. Soros elérése miatt olyan adatokat célszerű rajta tárolni, amelyeket felírásuk sorrendjében kell visszaolvasni.

A felülírás elleni védelemről műanyag írásmegengedő gyűrűk gondoskodnak.

A mágnesszalag-egység fő funkciói

• Blokk írása, olvasása, törlése, a szalag mozgatása

• A mágnesszalagot orsók mozgatják az író-olvasó fejek előtt. A továbbítás irányától függően, a kilyuggatott orsók egyikére rászívják, a másikon levegő kifújással létrehozott légpárnán csúsztatják.

• A nagy sebesség eléréséhez a szalagot az orsók mellett vákuumkamrákba szívják.

Mágnesszalag működése

• szélesség: 0,5 inch (12,7 mm)

• vastagság: kb. 0,05 mm

• hosszúság: 2400 láb (730 m)

A mágneskazettás adattárolás

• Az adathordozó keskeny mágnesszalag

• Előnyei: kis helyigény, alacsony ár

• Hátránya: a soros hozzáférés

• Felépítése:

8 7 6 5 4 3 2 1 8 7 6 5 4

1 Byte

• • • • • • • • •

A rögzítés itt is blokkonként történik. A szalagon kettő, a „cartidge” kazettánál négy sáv van.

bitek

PPT Slide

Alapvetően kétféle mágneskazetta típust használnak, a normál magnetofon kazettát, és az ún. „data-cartridge”-t, adattároló kazettát.

Mágneskazettás adathordozót több területen is használnak: adatrögzítéshez, mert viszonylag sok adat kis helyen elfér, biztonsági adatmentésre speciális készülékkel (streamer) speciális kazettára, mert gyors és megbízható.

Az írásvédelmet a kazettán szimmetrikusan elhelyezett nyílások szolgálják

A mágneslemezes adattárolás

A mágneslemezek típusai

• Fix rögzítésű és cserélhető merevlemezek

• fixlemezes tárak: fixfejes vagy mozgófejes

• cserélhető tárak: lemezköteges (nagy kapacitás), kazettás cserélhető merevlemezek

• hajlékonylemezes tárak

A cserélhető lemezköteges tárak

• Adathordozó: mágneses felületű lemez(ek)

• Előnyei: nagy kapacitás, direkt hozzáférés

• Felépítése:

Legfelső, nem használt felület

Legalsó, nem használt felület

Egy cilinder: az összes adattároló felület azonos sávjai

Egy szektor: a sáv egy „szelete”, fix számú byte-tal

Egy mágneses lemez felépítése

szektor

sávok

1 fizikai

rekord

A lemezköteges tárak működési elve

• A lemezcsomag állandó, magas fordulatszámmal forog, az író-olvasó fejeket a karmozgató mechanizmus mozgatja, a fejek így a teljes lemezfelületet be tudják járni. A gyors forgás miatt a fejek a lemezek felett úsznak egy légpárnán.

Az írás vagy olvasás főbb műveletei

1. A kívánt lemezegység (cilinder, sáv, szektor) kijelölése. (elektronikus művelet, gyors)

2. A fejek bemozgatása a kijelölt cilinderre (mechanikus művelet, fejbeállási idő).

3. Várakozás a megfelelő szektorra (lemez elfordulás)

4. Az írási-olvasási művelet elvégzése

A cserélhető lemezköteges tárak

• Felhasználása: Elsősorban a nagyszámítógépek adathordozói, maximális kapacitásuk a technológia fejlődésével folyamatosan növekszik

A winchesterek

• Adathordozó: mágneses felületű lemezek

• Előnyei: nagy kapacitás, direkt hozzáférés, de kis méret.

• Felépítése: a winchester is merev mágneslemez, amely légmentesen lezárt tokban van, amely megakadályozza a por, szennyezés bekerülését, így nagyban fokozza az adatbiztonságot.

A winchesterek felhasználása

• Régebben elsősorban kis (mikro) számítógépek adathordozója volt, ma már a nagygépekben is széles körben használják. Tárolási kapacitásuk 20 megabyte-tól több gigabyte-ig terjed (érdekesség a 20 megabytos lemez)

A hajlékonylemezes tárak

• Adathordozó: hajlékony, kör alakú lemez, amely mindkét oldalán mágnesezhető réteggel van bevonva. A lemezt műanyag tok védi, amelyet a I/O egységbe (meghajtó) történő behelyezéskor nem távolítunk el.

• A lemezegységbe helyezve egy bizonyos fordulat után a műanyag lemez a centrifugális erő hatására merevvé válik

A hajlékonylemezes tárak

• Előnyei: direkt hozzáférés, alacsony ár, cserélhetőség

• Hátránya: viszonylag kis kapacitás, sérülékenység, kevésbé megbízható

• Felhasználás: elsősorban kisszámítógépek adathordozója, méretei: 8 inch/77 sáv, 5.25 inch/40 vagy 80 sáv, 3.5 inch

A floppy felépítése

• A floppy-t is sávokra és szektorokra bontják

• a sáv-szektor szerkezet létrehozása és a sávok használhatóságának ellenőrzése a formattálás során történik (szoftver segítségével) (az ilyen lemezek a soft-szektoros lemezek)

• a hard-szektoros lemezen a szektorszerkezetet indexlyukakkal gyárilag hozzák létre

A floppy kapacitása

• A floppy típusától függ

• függ az adattárolásra használt oldalak számától: SS (Single Sided), DS (Double Sided) lemezek

• az írássűrűségtől: SD (Single Density), DD (Double Density), HD (High Density)

CD meghajtó

• Az információ jelentős része tipikusan olyan, hogy módosítani nem kell, és viszonylag ritkán van rá szükség. Ilyenek az archivált dokumentumok, a képek, a telepítő programok. Ezeknek a tárolására ideális a CD, melynek kapacitása 600 MByte felett van. Az optikai lemez olvasásához speciális készülékre van szükség.

A winchester sebességének növelése átszervezéssel

A sokat használt winchesteren a folytonos írások és törlések következében előbb-utóbb fellép a fragmentáció jelensége. Ez azt jelenti, hogy a file-ok nem szektorfolytonosan helyezkednek el, hanem a logikailag egymás után következő szektorok a lemez más-más helyein találhatók. Ez csökkenti a sebességet, mert az író-olvasó fejet ide-oda kell mozgatni a lemezen, ezáltal a fejmozgatási idő hozzáadódik az olvasási időhöz. A fragmentáció megszüntetése segít a sebesség növelésére. Erre léteznek programok, amelyek a file-okat egymás mögé helyezik

A winchester sebességének növelése a file-ok elérési idejének csökkentésével.

Ha egyes file-okat sokszor használunk, azok logikailag következő szektorait célszerű elhelyezni az úgynevezett disk cache-ben. Ez programok segítségével oldható meg. (Egyes programok a winchester elejére helyezik ezeket a file-okat.)