Физические основы накопления и хранения данных

На протяжении всей своей истории человечество прикладывало значительные усилия по разработке и производству средств накопления и длительного хранения данных. Однако разнообразие этих средств невелико: книги, фотографии и киноленты, звукозапись. Спектр технических средств значительно пополнился в XX веке в связи с переходом к цифровым технологиям хранения данных. Сегодня используются самые разнообразные технические средства: гибкие магнитные диски (дискеты), магнитные ленты, разнообразные жесткие диски, оптические компакт-диски, электронные флэш-карты. Аппаратные средства, предназначенные для длительного хранения данных в электронном виде, называются внешними запоминающими устройствами (ВЗУ).

Наиболее распространенными устройствами являются магнитные дисковые накопители. В качестве запоминающей среды в ВЗУ используются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два различимых магнитных состояния, каждому из которых ставится в соответствие двоичная цифра: 0 или 1. Запись и считывание данных осуществляется магнитными головками. К основным характеристикам ВЗУ относятся их емкость, выражаемая в единицах измерения количества информации, и скорость ее считывания/записи[57].

Гибкий магнитный накопитель, или дискета (FD – Floppy Disk), представляет собой плоский диск из специальной пленки, обладающей достаточной прочностью и стабильностью размеров, покрытый ферромагнитным слоем и помещенный в защитный конверт. Защитный кожух содержит ряд отверстий, через которые головки считывания-записи контактируют с магнитной поверхностью. Для выполнения операций с дискетой она помещается в специальное устройство – дисковод, называемый приводом гибких дисков (FDD DRIVE).

Привод гибких дисков представляет собой сочетание механизма считывания-записи с соответствующей электронной схемой управления. Конструктивной особенностью привода является то, что диск приводится во вращение только при поступлении команды на чтение или запись. Кроме того, головка чтения записи во время работы механически контактирует с поверхностью носителя.

Накопители на жестких магнитных дисках (HDD, Hard Disk Drive, получившие название "винчестеры") представляют собой целостную конструкцию из нескольких алюминиевых или керамических пластин (дисков) с ферромагнитным слоем и механизма считывания-записи данных. Для записи данных используются обе поверхности каждой из пластин, что обеспечивается группой магнитных головок. Пакет дисков, пока компьютер включен, непрерывно вращается со скоростью до 10000 оборотов в минуту и более. При этом головки чтения записи не касаются поверхности дисков, а плавают над поверхностью на расстоянии 0,1-0,5 микрона. Емкости современных жестких дисков составляют от десятков до сотен гигабайт. Сегодня это одни из самых емких и высокоскоростных устройств внешней памяти.

Для хранения больших объемов данных, обеспечения высокой степени надежности, достоверности и безопасности жесткие диски объединяются в более сложные системы, называемые дисковыми массивами RAID[58].

Последние годы широкое распространение получили оптические диски, называемые еще лазерными, так как запись данных на них и считывание осуществляется с помощью лазерного луча, генерируемого специальным устройством – приводом компакт-дисков. Ярким представителем семейства этих устройств являются компакт-диски, которые впервые стали использоваться для аудиозаписи.

Высокая потребительская ценность оптических дисков заключается в их низкой стоимости, большой емкости, высокой степени надежности хранения данных[59].

Еще одним очень перспективным способом хранения данных в электронном виде является использование электронных микросхем памяти, называемых флэш-памятью. Они отличаются очень высокой скоростью работы и надежностью хранения данных. Способ подключения этих устройств к работающему компьютеру без выключения последнего (через порт USB) делает эти устройства незаменимыми для промежуточного хранения данных, переноса их с одного компьютера на другой.

3.3.2.Логические основы накопления и хранения данных.
Базы данных

Цель любой информационной технологии заключается в обработке сведений об объектах и явлениях реального мира. Важнейшей составляющей этих технологий являются способы хранения данных на машинных носителях и методы доступа к ним.

С целью унификации методов доступа к данным, хранящимся на различных типах технических устройств, на логическом уровне введено обобщенное понятие файла как имеющей имя логически связанной совокупности данных на внешнем запоминающем устройстве. Для удобства оперирования большим количеством файлов последние группируются в папки (каталоги). Каждый файл данных имеет уникальное имя в пределах папки. Файлы могут иметь различную структуру и, в свою очередь, состоять из более мелких структурных элементов, таких, как записи, поля.

Одним из ключевых понятий структур данных на логическом уровне является понятие базы данных (БД). В общем случае БД можно определить как некоторую структурированную совокупность данных об объектах определенной предметной области[60], хранящихся на внешних запоминающих устройствах, и методов доступа к ним, определяющих способы взаимодействия с пользователем и аппаратно-программными средствами ИТ.

С понятием системы базы данных непосредственно связано понятие системы управления базами данных, под которой понимается комплекс программных средств, предназначенных для создания и обслуживания БД (СУБД). Проводя аналогию с технологиями материального производства, БД в информационной технологии в комплексе с СУБД выступает в роли складского хозяйства во всем его многообразии. Это и место складирования данных, и вся совокупность технических, программных, правовых, организационных средств по обеспечению их транспортировки, учета, хранения и поиска, обеспечения целостности, сохранности и безопасности.

Для базы данных характерно наличие структуры, определяющей состав и взаимодействие (отношения) между ее элементами. База данных – это структурированная совокупность данных, обеспечива­ющая удобный и быстрый способ доступа к ее элементам. Структурирование данных – это введение соглашений о способах представления данных. С точки зрения размещения БД и ее формально-структурной организации на внешних запоминающих устройствах, БД представляет собой совокупность логически взаимосвязанных файлов.

Классификация БД

По технологии обработки данных БД подразделяются на централизованные (ЦБД) и распределенные (РБД). Централизованные БД хранятся в памяти одной вычислительной системы или одной вычислительной машины. ЦБД могут использоваться как на локальных вычислительных системах, вычислительных центрах, так и в вычислительной сети. ЦБД с сетевым доступом могут предполагать различные способы обработки хранящихся в них данных различными компьютерами сети: на уровне файлов (файл – серверная архитектура) или на уровне записей (клиент – серверная архитектура).

Архитектура БД "Файл-сервер" предполагает лишь централизованное хранение БД на выделенном компьютере в виде совокупности файлов, которые по запросу передаются на рабочую станцию - компьютер пользователя - и там обрабатываются.

Архитектура "Клиент-сервер", помимо централизованного хранения данных, предполагает поиск по запросу пользователя необходимых данных (записей) и выполнение основного объема их обработки на сервере сети. На рабочую станцию пользователя передаются уже не файлы, а определенным образом структурированные и обработанные данные.

Распределенные базы данных используются в вычислительных сетях. В этой технологии данные располагаются на различных компьютерах сети и могут частично перекрывать и даже дублировать друг друга.

По способу доступа к данным различают БД с локальным и удаленным доступом. Доступ к локальной базе данных осуществляется только с того компьютера, на котором она расположена.

БД с удаленным доступом предполагают использование их данных с сетевых компьютеров.

По логической структуре хранимых данных БД делятся на иерархические, сетевые и реляционные.

В иерархической модели представления данных связи между элементами записи описываются с помощью упорядоченного древовидного графа.

Сетевая модель данных позволяет учитывать разнообразные взаимосвязи между элементами в виде произвольного графа.

Наибольшее распространение на практике получили реляционные базы данных. В соответствии с этой моделью данные представляются в виде совокупности плоских таблиц – отношений. Каждая таблица имеет строки и столбцы. Каждая строка одной таблицы имеют единую структуру и состоит из полей. База данных в свою очередь представляет собой совокупность файлов-таблиц, объединенных между собой информационными связями на уровне отдельных полей или их произвольных комбинаций.

3.4. Информационные процессы отображения
и размножения данных

Информационный процесс отображения данных является одним из важнейших в информационной технологии. Большая часть информации, получаемой в результате обработки, предназначена для человека и должна быть представлена в удобном для восприятия виде. Несмотря на появление современных средств отображения информации – мониторов, электронных экранов - основным, наиболее удобным для восприятия способом представления данных остается бумажный документ. Ранее уже отмечалось, что все процессы управления документируются. Соответственно, информационные процессы, связанные с подготовкой, накоплением, хранением и передачей данных на бумажных носителях, занимают важное место в деятельности организаций и являются составным элементом информационных технологий. Специализированные технические средства обработки бумажных документов, копирования и размножения относятся к средствам организационной техники[61].

Более подробно остановимся на технологиях отображения текстовой, графической, звуковой и мультимедиа информации в автоматизированных компьютерных системах.