ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: ΜΝΗΜΕΣ ΚΑΙ ΑΠΟΘΗΚΕΥΤΙΚΟΙ ΧΩΡΟΙ ΣΕ ΕΝΑΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: ΜΝΗΜΕΣ ΚΑΙ ΑΠΟΘΗΚΕΥΤΙΚΟΙ ΧΩΡΟΙ ΣΕ ΕΝΑΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ ΥΠΕΥΘΥΝΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ : Δρ. ΜΑΓΚΑΦΑΣ ΛΥΚΟΥΡΓΟΣ ΤΩΝ ΣΠΟΥΔΑΣΤΩΝ : ΔΑΜΑΚΙΔΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΠΑΠΑΤΖΑΛΑΚΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΝΟΕΜΒΡΙΟΣ 2009

2 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε θερμά το Δρ. Μαγκαφά Λυκούργο για την ευκαιρία που μας έδωσε να ασχοληθούμε με το συγκεκριμένο θέμα αλλά και για τις πολύτιμες συμβουλές του καθ όλη τη διάρκεια περάτωσης της εργασίας. Η ολοκλήρωση της χωρίς τις παρεμβάσεις του δεν θα ήταν εφικτή. Φυσικά πρέπει ευχαριστήσουμε τους γονείς μας, οι οποίοι μας στήριξαν σε όλα τα χρόνια της φοίτησης μας τόσο οικονομικά όσο και ψυχολογικά. ΝΟΕΜ ΒΡΙΟΣ

3 3

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ανάγκη του ανθρώπου για ανταλλαγή πληροφοριών. Αποθήκευση ψηφιακών δεδομένων... Μέσα αποθήκευσης ψηφιακών δεδομένων... Τρόποι αποθήκευσης ψηφιακών δεδομένων... Μαγνητικά μέσα αποθήκευσης δεδομένων... Οπτικά μέσα αποθήκευσης δεδομένων... Μαγνητο-οπτικά μέσα αποθήκευσης δεδομένων... Μέσα αποθήκευσης δεδομένων στερεάς κατάστασης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Η μνήμη και η οργανωσή τη ς... Τυχαία και ακολουθιάκη προσπέλαση... Πρόσκαιρη και μη πρόσκαιρη αποθήκευση... Η μνήμη των υπολογιστών... Μνήμη RAM... Τα βασικά για την RAM... Κοινοί τύποι μνήμης RAM... Μνήμη ROM... Κοινοί τύποι μνήμης ROM... RAM εναντίον R O M ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Σύγχρονοι αποθηκεύτικοι χώροι... Σκληρός δίσκος

5 3.3 Δισκέτα (floppy disk) C D CD-RW DVD ΚΕΦΑΛΑΙΟ Memory flash Πως λειτουργεί η Memory flash Χαρακτηριστίκα Memory flash Memory flash ή σκλήρος δίσκος Memory stick Είδη Memory stick...64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Είδη καρτών μνήμης Κάρτες Compact flash ^ ρ τ α Smart media Multimedia card (MMC) Κάρτες XD picture Κάρτες Secure digital (SD)...73 Συμπερασματα- παρατηρήσεις...74 Βιβλιογραφία

6 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Στην παρούσα εργασία θα ασχοληθούμε με τις μνήμες και τους αποθηκευτικούς χώρους σε ένα ηλεκτρονικό υπολογιστή. Ο σκοπός της εργασίας αυτής είναι να κατανοήσουμε την λειτουργία όπως και τις διαφορές ανάμεσα στα είδη μνήμης του υπολογιστή. Επίσης θα αναφέρουμε και θα αναλύσουμε τις συσκευές που χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση δεδομένων Στο κεφάλαιο1 θα μιλήσουμε για τα ψηφιακά δεδομένα και συγκεκριμένα για τα μέσα και τους τρόπους που τα αποθηκεύουμε στις διάφορες συσκευές αποθήκευσης Στο κεφάλαιο 2 θα ασχοληθούμε με την μνήμη των υπολογιστών και την οργάνωση της και ειδικότερα με τις μνήμες RAM και ROM, για τις οποίες θα αναφέρουμε τους τρόπους λειτουργίας τους και τα είδη τους. Στο κεφάλαιο 3 θα γίνει αναφορά των αποθηκευτικών συσκευών που χρησιμοποιούνται για την αποθήκευση δεδομένων, πιο συγκεκριμένα θα γίνει εκτενή αναφορά στο σκληρό δίσκο, στην δισκέτα, στα CD και στα DVD. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται η μνήμη flash και θα αναλύσουμε τον τρόπο λειτουργίας της και τα χαρακτηριστικά της. Επίσης αναφερόμαστε στο memory stick και στα είδη του, τα οποία κυκλοφορούν στο εμπόριο. Τέλος, στο κεφάλαιο 5, έγινε μια λίστα από τα πιο δημοφιλή είδη μνήμης flash, περιγράφοντας τα χαρακτηριστικά τους. 6

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΑΝΑΓΚΗ ΤΟΥ ΑΝΘΡΩΠΟΥ ΓΙΑ ΑΝΤΑΛΛΑΓΗ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΩΝ Η εξέλιξη του τρόπου επικοινωνίας του ανθρώπου έχει να επιδείξει πολλές και ποικίλες μορφές ανταλλαγής πληροφορίας. Στην αρχή της εξέλιξής μας, επικοινωνούσαμε με τη γλώσσα του σώματος και διάφορες ζωώδεις κραυγές, η διάδοση της γνώσης περνούσε από γενιά σε γενιά μέσω της μίμησης των πρεσβύτερων από τους νεότερους και η εξάπλωσή της ακολουθούσε τις μετακινήσεις των φυλών από τόπο σε τόπο. Πολύ αργότερα, έκανε την εμφάνιση του ο υποτυπώδης γραπτός λόγος με σκαριφήματα στους βράχους των σπηλαίων και ακολούθησε ο οργανωμένος προφορικός λόγος, ενώ τα διάφορα σκαριφήματα συμπλήρωσαν τα γράμματα και η οργάνωσή τους σε λέξεις και προτάσεις με νόημα. Μέχρι σήμερα, η αποτύπωση των γραμμάτων στο χαρτί, σε συνδυασμό με σχέδια και φωτογραφίες για την απεικόνιση του φανταστικού και την αποτύπωση του υπαρκτού, αποτελούν το κύριο μέσω διάδοσης και διάσωσης της γνώσης των ανθρώπων. Ωστόσο, ο ηλεκτρισμός και οι τεχνολογίες που πηγάζουν από αυτόν, τείνουν να αλλάξουν ριζικά τον τρόπο με τον οποίο διαδίδεται και διατηρείται η πληροφορία σήμερα και με μια απλή παρατήρηση φαίνεται να το έχει επιτύχει. Η μετατροπή της πληροφορίας σε ηλεκτρισμό και ηλεκτρομαγνητικά κύματα, επέτρεψε την ταχύτατη διάδοσή της πέρα από κάθε σύνορο. Με την εξάπλωση όμως των ηλεκτρονικών υπολογιστών και τη μετατροπή της πληροφορίας από άναρχη ροή ηλεκτρονίων σε κωδικοποιημένους παλμούς ηλεκτρικής ενέργειας αντιληπτούς από τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, διαδικασία γνωστή ως ψηφιοποίηση, οδηγηθήκαμε σε μια νέα εποχή, όπου η πληροφορία δημιουργείται και αποτυπώνεται εξ αρχής με τρόπο αντιληπτό μόνο μέσω των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Αυτός ο τρόπος έκφρασης της πληροφορίας είναι ο λεγόμενος ψηφιακός και δομείται από το 0 και 1. Μόνο με συνδυασμούς αυτών των δυο στοιχείων, που δηλώνουν αν θα περάσει ή όχι ηλεκτρικό ρεύμα από κάποιο κύκλωμα, οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές είναι σε θέση να αποτυπώσουν και να αναπαράγουν οποιαδήποτε μορφή πληροφορίας. Από απλό κείμενο και αριθμούς, μέχρι εικόνες, ήχο, βίντεο και 7

8 οτιδήποτε άλλα δεδομένα, όσο πολύπλοκα και αν είναι αυτά. Όλα περιγράφονται με αλληλουχίες των Bit, δηλαδή των δομικών στοιχείων της ψηφιακής αναπαράστασης, που δεν είναι άλλα από τα ψηφία 0 και 1. Πίνακας 1.1 Μονάδες μέτρησης μεγέθους ψηφιακών δεδομένων Μονάδα (σιηαομσγραψΐα.) Τιμή του αντιπροσωπεύει bit ένα ουαοικύ ψηφίο το 0 ή το 1 Byte 8 bit Kilobyte (KB) Byte Megabyte (MB) Byte ή 1024 KB Gigabyte (GB) ΚΒ ή 1024 MB Terabyte (TB) MB ή 1024 GB 1.2 ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Η αποθήκευση ψηφιακών δεδομένων μπορεί να υλοποιηθεί με πολλούς τρόπους. Ο πιο κοινός από αυτούς είναι αυτός της αποθήκευσης στο σκληρό δίσκου του ηλεκτρονικού υπολογιστή και η πιθανή μετέπειτα εφεδρική αποθήκευση σε κάποιο αναλώσιμο αποθηκευτικό μέσο όπως ο οπτικός δίσκος. Η σύγχρονη αγορά πληροφορικής ωστόσο έχει να επιδείξει μεγάλη ποικιλία τεχνικομηχανικών λύσεων περιφερειακής αποθήκευσης δεδομένων, οι οποίες μπορεί να ποικίλουν από απλές περιφερειακές συσκευές οδήγησης αναλώσιμων μέσων ψηφιακής αποθήκευσης, μέχρι και αυτόνομα εξειδικευμένα συστήματα ψηφιακής αποθήκευσης, τα οποία μπορεί να ενσωματώνουν και να συνδυάζουν πολλές και ποικίλες τεχνολογίες, όπως συστοιχίες σκληρών δίσκων, οδηγών οπτικών ή μαγνητο-οπτικών δίσκων, μαγνητικών ταινιών κλπ. Ο στόχος των συσκευών αυτών είναι η ικανοποίηση των αναγκών για αποθηκευτικούς χώρους και επιδόσεις που είναι αδύνατο να ικανοποιηθούν από μια κοινή περιφερειακή αποθηκευτική συσκευή. Η κατάλληλη πρακτική ψηφιακής αποθήκευσης επιλέγεται αναλόγως των απαιτήσεων της κάθε εφαρμογής και είναι αυτή η οποία καθορίζει ποια τεχνικομηχανική λύση αρμόζει καλύτερα στην εκάστοτε εφαρμογή. Ο βασικός διαχωρισμός των διαθέσιμων πρακτικών ψηφιακής αποθήκευσης προσεγγίζεται βάση τριών γενικών κατηγοριών, οι οποίες αποσκοπούν 8

9 στην κατάταξη των διαθέσιμων αποθηκευτικών συσκευών σύμφωνα με την ταχύτητα διάθεσης των δεδομένων που αυτές επιδεικνύουν. Η ταχύτητα διάθεσης των δεδομένων είναι συνάρτηση του όγκου δεδομένων που μπορεί να μεταφέρει, από και προς τη μνήμη, η αποθηκευτική συσκευή σε ένα δευτερόλεπτο και του χρόνου πρόσβασης στα αποθηκευμένα δεδομένα της, ή στην περιοχή όπου υπάρχει ελεύθερος χρόνος για την εγγραφή καινούργιων. Έτσι οι απαιτήσεις και οι ιδιαιτερότητες της κάθε εφαρμογής, υπαγορεύουν και τη χρήση κάποιας ή συνδυασμό κάποιων, από τις παραπάνω πρακτικές ψηφιακής αποθήκευσης. 1.3 ΜΕΣΑ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Οι σύγχρονοι ηλεκτρονικοί υπολογιστές κάνουν χρήση τουλάχιστον δύο επιπέδων για την αποθήκευση των δεδομένων που διαχειρίζονται. Το πρώτο επίπεδο είναι αυτό στο οποίο αποθηκεύονται τα δεδομένα για μικρό χρονικό διάστημα κατά την επεξεργασία τους από τον κεντρικό επεξεργαστή του υπολογιστή. Αυτός ο αποθηκευτικός χώρος πρέπει να είναι ταχύτατος έτσι ώστε η επεξεργασία των δεδομένων να γίνεται όσο το δυνατό γρηγορότερα. Αυτό το επίπεδο, το οποίο είναι γνωστό και ως πρωτεύων αποθηκευτικός χώρος, υλοποιείται στην κεντρική μνήμη (RAM: Random Access Memory - Μνήμη Τυχαίας Προσπέλασης) του ηλεκτρονικού υπολογιστή, η οποία είναι ταχύτατη αλλά ακριβή και χάνει την πληροφορία που έχει αποθηκευμένη με τη διακοπή τροφοδοσίας της με ηλεκτρικό ρεύμα. Για να μη χαθούν οι πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες στη μνήμη RAM του ηλεκτρονικού υπολογιστή, αλλά και για να αυξηθεί η αποθηκευτική ικανότητα δεδομένων πέρα από την περιορισμένη και ακριβή χωρητικότητα που προσφέρει η κεντρική μνήμη, γίνεται χρήση ενός δεύτερου επιπέδου. Στο δεύτερο επίπεδο, οι πληροφορίες πρέπει να διατηρούνται και μετά την παύση τροφοδοσίας του συστήματος με ηλεκτρική ενέργεια, όπως επίσης και να παρέχονται, με μικρότερο κόστος, χώροι αποθήκευσης δεδομένων πολλαπλάσιου 9

10 μέγεθος από αυτούς που προσφέρει η κεντρική μνήμη του υπολογιστή. Τα δεδομένα που αποθηκεύονται στο επίπεδο αυτό, πρέπει να είναι άμεσα διαθέσιμα για τις ανάγκες του χρήστη και του ηλεκτρονικού υπολογιστή και η γρήγορη μεταφορά τους στην κεντρική μνήμη εγγυημένη. Το δεύτερο επίπεδο, γνωστό και ως δευτερεύων αποθηκευτικός χώρος, εκπροσωπείται από τον σκληρό δίσκο του ηλεκτρονικού υπολογιστή, ο οποίος προσφέρει, σχετικά με μικρό κόστος, ευμεγέθεις αποθηκευτικούς χώρους, όπου τα δεδομένα μπορούν να διατηρηθούν για πολλά χρόνια, χωρίς καν την τροφοδοσία της αποθηκευτικής συσκευής με ηλεκτρικό ρεύμα. Ο φρενήρης ρυθμός παραγωγής δεδομένων όμως, ανάγκασε πολλούς χρήστες υπολογιστών να καταφύγουν και σε τρίτο επίπεδο αποθήκευσης των δεδομένων τους. Σε αυτό το επίπεδο, η πληροφορία αποθηκεύεται σε κάποιο φτηνό αλλά αξιόπιστο αποθηκευτικό μέσο εκτός του ηλεκτρονικού υπολογιστή, το οποίο όμως για μείωση του κόστους είναι αργό. Η αποθήκευση στο τρίτο επίπεδο γίνεται είτε γιατί δεν χρησιμοποιείται η πληροφορία πολύ συχνά και υπάρχει ανάγκη απελευθέρωσης γρήγορου αποθηκευτικού χώρου στο δεύτερο επίπεδο αποθήκευσης του συστήματος, είτε για λόγους φτηνής εφεδρικής αποθήκευσης κρίσιμων δεδομένων, που η απώλεια τους λόγω δυσλειτουργίας του συστήματος ή κακής χρήσης δεν είναι επιθυμητή. Συνήθως για τις ανάγκες αποθήκευσης του τρίτου επιπέδου χρησιμοποιούνται οι μαγνητικές ή οπτικές ταινίες αποθήκευσης δεδομένων, οι οποίες θεωρούνται σήμερα ως το φτηνότερο αποθηκευτικό μέσω μεγάλης χωρητικότητας που διατίθεται στην αγορά πληροφορικής. Ωστόσο υπάρχουν πολλά άλλα μέσα και πολλές άλλες πρακτικές για την αποθήκευση δεδομένων δευτέρου και τρίτου επιπέδου, που καθιστούν τη σωστή επιλογή τους επίπονη διαδικασία. Η επιλογή του αποθηκευτικού μέσου για τις ανάγκες αποθήκευσης και αρχειοθέτησης όπως και για οποιαδήποτε άλλη εφαρμογή, είναι άμεσα συνυφασμένη με την ταχύτητα διάθεσης της αποθηκευμένης πληροφορίας προς τους χρήστες, αλλά και με τον όγκο της σε Megabytes. Η ταχύτητα διάθεσης των δεδομένων είναι παράγωγο του χρόνου πρόσβασης στα δεδομένα και του ρυθμού μεταφοράς των δεδομένων. Με τον όρο χρόνο πρόσβασης εννοείτε ο χρόνος που μεσολαβεί από την αίτηση του χρήστη για δεδομένα μέχρι τον εντοπισμό τους από την αποθηκευτική συσκευή. Όσο πιο μικρός είναι αυτός ο χρόνος τόσο πιο γρήγορη είναι η απόκριση της αποθηκευτικής συσκευής στις αιτήσεις του χρήστη για δεδομένα. Ωστόσο, ο χρόνος πρόσβασης από μόνος του δεν καθορίζει την ταχύτητα εξυπηρέτησης του 10

11 χρήστη από την αποθηκευτική συσκευή. Εξίσου σημαντικός είναι και ο ρυθμός μεταφοράς των δεδομένων, ο οποίος καθορίζει το ποσό των δεδομένων που μπορεί να μεταφέρει μια αποθηκευτική συσκευή από το μέσο αποθήκευσης στη μνήμη του ηλεκτρονικού υπολογιστή ή αντίστροφα, μέσα σε ένα δευτερόλεπτο. Συνεπώς, η ταχύτητα μιας αποθηκευτικής συσκευής, είναι ανάλογη με τον ρυθμό μεταφοράς των δεδομένων και αντιστρόφως ανάλογη προς το χρόνο πρόσβασης στα δεδομένα. Τα αποθηκευτικά μέσα που είναι διαθέσιμα στην αγορά σήμερα χωρίζονται σε τέσσερις κατηγορίες, ανάλογα με τον τρόπο που αποθηκεύονται και ανακτώνται τα δεδομένα. Οι κατηγορίες αυτές προκύπτουν ύστερα από τις διαφορές στην αρχή λειτουργίας του κάθε αποθηκευτικού μέσου, έτσι τα αποθηκευτικά μέσα κατηγοριοποιούνται στα μαγνητικά, στα οπτικά, στα μαγνητό-οπτικά και στα στερεής κατάστασης (solid state). Συνεπώς, αν τα δεδομένα ανακτώνται και αποθηκεύονται σε κάποιο φυσικό μέσο με χρήση του μαγνητισμού το μέσο αυτό θεωρείται μαγνητικό, στην περίπτωση χρήσης του φωτός θεωρείται οπτικό και στην περίπτωση χρήσης κυκλωμάτων μνήμης θεωρείται στερεής κατάστασης. 1.4 ΤΡΟΠΟΙ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗΣ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Μαγνητικά μέσα αποθήκευσης δεδομένων Τα μαγνητικά μέσα αποθήκευσης δεδομένων αποτελούν σήμερα τον πιο διαδεδομένο και πολυχρησιμοποιημένο τρόπο διατήρησης δεδομένων πέρα από τη μνήμη του ηλεκτρονικού υπολογιστή. Μέχρι σήμερα, οι μαγνητικές ταινίες και δίσκοι είναι οι μοναδικοί αντιπρόσωποι της μαγνητικής αποθήκευσης. 11

12 Εικόνα Μαγνητική ταινία σε ξεχωριστά καρούλια και σε κασέτα Το σύστημα τη; διπλή; μετακινούμενη; κεφαλή; τη; αποθηκευτική; συσκευή; δεδομένων RAMAC Ο προπάτορα; των σκληρών δίσκων RAMAC τη; IBM Εικόνα Τύποι μαγνητικών δίσκων αποθήκευσης δεδομένων 12

13 Παρά το πέρασμα του χρόνου και τις εξελίξεις λόγω των απαιτήσεων της σύγχρονης αγοράς, η βασική αρχή λειτουργίας τους παραμένει η ίδια. Το αποθηκευτικό μέσο κινείται με σταθερή ταχύτητα πολύ κοντά ή εφαπτομενικά σε έναν ηλεκτρομαγνήτη, με τον οποίο ανταλλάσσουν επαγωγικά τα μαγνητικά τους πεδία. Στα μαγνητικά αποθηκευτικά μέσα η πληροφορία έχει τη μορφή μοτίβων μαγνητικής ροής. Αυτά τα μοτίβα δημιουργούνται στη μαγνητική επιφάνεια του μέσου αποθήκευσης, από έναν ηλεκτρομαγνήτη στην κεφαλή της συσκευής εγγραφής. Ο ηλεκτρομαγνήτης αυτός, μαγνητίζεται ανάλογα με τα δεδομένα προς αποθήκευση και μεταφέρει επαγωγικά το μαγνητικό του πεδίο στο υλικό του αποθηκευτικού μέσου. Το αποθηκευτικό μέσο είναι κατασκευασμένο ή επιστρωμένο με σιδηρομαγνητικό υλικό, το οποίο προσδίδει στην επιφάνεια του την ικανότητα να μαγνητίζεται μόνιμα. Με αυτόν τον τρόπο, η αποθηκευμένη πληροφορία καθίσταται αναγνώσιμη για μεγάλο χρονικό διάστημα από τις αντίστοιχες συσκευές ανάγνωσης. Η ανάγνωση των δεδομένων από το μέσο αποθήκευσης γίνεται με παρόμοιο τρόπο. Η μόνη διαφορά στην όλη διαδικασία είναι πως κατά την ανάγνωση, αντί να στέλνει η συσκευή ηλεκτρική ενέργεια στον ηλεκτρομαγνήτη της κεφαλής, αφουγκράζεται την ηλεκτρική ενέργεια που δημιουργείται λόγω επαγωγής. Πιο συγκεκριμένα, ο ίδιος ηλεκτρομαγνήτης που χρησιμοποιείται για την εγγραφή των δεδομένων στο μαγνητικό μέσο αποθήκευσης, χρησιμοποιείται και για την ανάγνωση της αποθηκευμένης πληροφορίας από αυτό. Καθώς το μαγνητισμένο υλικό του αποθηκευτικού μέσου περνά πολύ κοντά από τον ηλεκτρομαγνήτη της κεφαλής, λόγω επαγωγής δημιουργείται ηλεκτρική τάση στους αγωγούς που φέρνουν ηλεκτρική ενέργεια στο πηνίο του ηλεκτρομαγνήτη. Αυτή η επαγόμενη ηλεκτρική ενέργεια ερμηνεύεται από τη συσκευή ανάγνωσης στα αποθηκευμένα δεδομένα Σήμερα ωστόσο, πολλές συσκευές, κυρίως η συσκευές ανάγνωσης και εγγραφής μαγνητικών ταινιών, χρησιμοποιούν άλλους ηλεκτρομαγνήτες για εγγραφή και άλλους για ανάγνωση. 13

14 Εικόνα Αρχή λειτουργίας μαγνητικής αποθήκευσης κατά την εγγραφή και ανάγνωση Οπτικά μέσα αποθήκευσης δεδομένων Σήμερα η έννοια της οπτικής αποθήκευσης παραπέμπει σε συστήματα αποθήκευσης δεδομένων που χρησιμοποιούν το φως για την αποθήκευση και ανάκτηση της πληροφορίας. Η φωτογραφία θα μπορούσε να θεωρηθεί ως η πρώτη μορφή οπτικής αποθήκευσης πληροφορίας, αφού οι πρώτες φωτογραφίες έκαναν την εμφάνισή τους πριν από 200 χρόνια περίπου. Ωστόσο, η αναλογική αποτύπωση της πληροφορίας που μας προσφέρει η κλασική φωτογραφία έχει περιορισμένες εφαρμογές αποθήκευσης δεδομένων. Από τότε που ανακαλύφθηκε το λέιζερ και εμφανίστηκαν οι πρώτοι ηλεκτρονικοί υπολογιστές, η αποτύπωση ψηφιακής πληροφορίας με τη βοήθεια του φωτός κατέστη πλέον εφικτή. Η αρχή λειτουργίας των σύγχρονων συστημάτων οπτικής αποθήκευσης και ανάγνωσης ψηφιακών δεδομένων, βασίζεται στον τρόπο με τον οποίο αντανακλάται μια τεχνητή ακτίνα φωτός από την επιφάνεια του μέσου αποθήκευσης. Ως πηγή 14

15 φωτός χρησιμοποιούνται συσκευές εκπομπής ακτινών λέιζερ που είναι γνωστές ως δίοδοι λέιζερ. Η ακτινοβολία λέιζερ είναι η πλέον κατάλληλη για την οπτική αναγνώριση και εγγραφή δεδομένων, για το λόγο ότι παρουσιάζει χαρακτηριστικά τα οποία ακτινοβολίες από φυσικές ή άλλου τύπου τεχνικές πηγές εκπομπής στερούνται. Η ακτινοβολία λέιζερ είναι μια δέσμη φωτός μονοχρωματική, δηλαδή εκπέμπεται σε σταθερό μήκος κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, το οποίο μπορεί να ποικίλει, ανάλογα με την τεχνολογία της πηγής εκπομπής, από 300 μέχρι 2000 νανόμετρα και συντονισμένη, γεγονός που δικαιολογεί την υψηλή ενέργεια που φέρει η ακτίνα λέιζερ. Η δίοδος λέιζερ είναι η τεχνολογία που επέτρεψε την εμπορική εκμετάλλευση της τεχνολογίας οπτικής αποθήκευσης δεδομένων. Τα πλεονεκτήματα των διόδων εκπομπής ακτινών λέιζερ είναι πολλά, τα σημαντικότερα από αυτά είναι το πολύ χαμηλό κόστος κατασκευής τους, οι χαμηλές ενεργειακές απαιτήσεις τους, η ικανοποιητική ισχύ της παραγόμενης ακτινοβολίας για την εγγραφή και την ανάγνωση πληροφορίας από την επιφάνεια του αποθηκευτικού μέσου, η δυνατότητα εκπομπής ακτινοβολίας συνεχόμενης ή παλλόμενης ροής, αντίστοιχα για την ανάγνωση ή εγγραφή της πληροφορίας και το πολύ μικρό τους μέγεθος. Εικόνα (i) Η πηγή ακτινοβολίας λέιζερ (ίί)τοπική διάταξη συσκευής εγγραφής και ανάγνωσης οπτικών δίσκων 15

16 Η τυπική διάταξη οπτικής εγγραφής και ανάγνωσης ψηφιακών δεδομένων, που συναντάται στις σύγχρονες συσκευές οπτικής αποθήκευσης, δηλαδή στις συσκευές εγγραφής και ανάγνωσης οπτικών δίσκων, αποτελείται από: Την πηγή ακτινοβολίας λέιζερ μεταβλητής ισχύος, η οποία είναι ικανή να επιφέρει, στη μέγιστη ισχύ λειτουργίας της, αλλαγές στη δομή του μέσου αποθήκευσης για την εγγραφή των δεδομένων, όπως επίσης την ικανότητα παροχής ακτινοβολίας συνεχόμενης ροής χαμηλής ισχύος, για την ανάγνωση των δεδομένων από το μέσο χωρίς όμως να προκαλεί τη μεταβολή του. Τα κατάλληλα οπτικά για την εστίαση της δέσμης σε όσο το δυνατό μικρότερη περιοχή της επιφάνειας του μέσου αποθήκευσης. Τον οπτικό αισθητήρα ανίχνευσης του ποσού της ακτινοβολίας που αντανακλάται από την επιφάνεια του μέσου, για την ανάγνωση των αποθηκευμένων δεδομένων. Την κατάλληλη διάταξη μετακίνησης των παραπάνω (α, β και γ που σχηματίζουν την κεφαλή οπτικής εγγραφής και ανάγνωσης), ώστε να υπάρχει πλήρη εκμετάλλευση της επιφάνειας του μέσου αποθήκευσης. Το μηχανισμό περιστροφής του μέσου, αφού όλες οι συσκευές οπτικής αποθήκευσης δεδομένων που έχουν παρουσιαστεί μέχρι σήμερα βασίζονται στην αρχιτεκτονική του περιστρεφόμενου δίσκου. Το ηλεκτρονικό υποσύστημα διασύνδεσης της συσκευής με άλλες συσκευές (interface), όπως για παράδειγμα ηλεκτρονικούς υπολογιστές, εγγραφείς βίντεο ή δεδομένων κ.α. Επίσης, η συμβολή της τεχνολογίας των υλικών και μεθόδων κατασκευής των μέσων οπτικής αποθήκευσης είναι εξίσου σημαντική, αφού ήταν ο κύριος παράγοντας που επέτρεψε τη χρήση συσκευών οπτικής αποθήκευσης στο ευρύτερο κοινό. Διαφανή οργανικά υλικά όπως ο πολυανθρακίτης (polycarbonate) αποτελούν το κυριότερο δομικό στοιχείο των οπτικών αποθηκευτικών μέσων, ενώ ειδικές επιστρώσεις από φωτοευαίσθητες οργανικές ενώσεις, παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούνται στα φωτογραφικά φιλμ, με οπτικές ιδιότητες που καθορίζονται από την ενέργεια του λέιζερ κατά την εγγραφή των δεδομένων, αποτελούν το βασικό μέσο αποθήκευσης. 16

17 ίρακος εατίααπς καθρέφτης ανακλααπς λα κα ΚΟίλΟΊΠΊα EIIKEIQ ανιχνευτής ολυκαρβονίαο νη αίΰα αλουμίνιο Σχήμα Η διαδικασία ανάγνωσης από έναν οπτικό δίσκο Η πρώτη οπτική συσκευή ψηφιακή αποθήκευσης και ανάκτησης δεδομένων ήταν εφεύρεση της IBM και ονομάζονταν IBM 1369 Photostore. Η πληροφορία αποθηκεύονταν σε πλαστικές κάρτες φιλμ με τη βοήθεια μιας ακτίνας ηλεκτρονίων. Η κάθε κάρτα είχε την ικανότητα να αποθηκεύει 4,6 εκατομμύρια bits και η επανεγγραφή ή διαγραφή της ήταν ανέφικτη. Η ηλεκτρονική οπτική αποθήκευση πληροφορίας έγινε γνωστή στο ευρύτερο κοινό μετά το 1973 με την εμφάνιση του οπτικού δίσκου VLP (Video Long Play - δίσκος αναπαραγωγής βίντεο μεγάλης χρονικής διάρκειας). Οι VLP δίσκοι συνήθως χρησιμοποιούνταν για την αναλογική αποθήκευση εικόνων και βίντεο. Η αποθήκευση της πληροφορίας ήταν εφικτή μέσω εξειδικευμένων και πανάκριβων συσκευών, οι οποίες δεν ήταν προσιτές στον κοινό χρήστη του δίσκου. Ο εγγράψιμος οπτικός δίσκος CD R έκανε την εμφάνισή του γύρω στο 1990 και είναι η τεχνολογία που επέτρεψε τους κοινούς χρήστες Η/Υ να επωφεληθούν από τα πλεονεκτήματα της οπτικής αποθήκευσης δεδομένων. Ο χρήστης της τεχνολογίας αυτής έχει στη διάθεσή του μια συσκευή οπτικής αποθήκευσης και ανάγνωσης 17

18 δεδομένων σε αφαιρούμενους οπτικούς δίσκους, οι οποίοι έχουν πάχους 1,2mm και διάμετρο 12 cm με χωρητική ικανότητα δεδομένων 650 με 700 Megabytes. Ο δίσκος CD RW είναι εξέλιξη του CD R με τη διαφορά πως προσφέρει τη δυνατότητα διαγραφής της αποθηκευμένης πληροφορίας και της επανεγγραφής του μέσου. Αυτό είναι εφικτό με τη χρήση ιδικού μεταλλικού κράματος στο στρώμα αποθήκευσης δεδομένων, το οποίο όταν θερμανθεί από την ακτίνα λέιζερ αλλάζει την κατάστασή του (φάση), με αποτέλεσμα να αλλάζουν και οι οπτικές του ιδιότητες. Θερμαίνοντας το στρώμα αυτό πάνω από το σημείο τήξης του, αυτό χάνει την κρυσταλλική του δομή με αποτέλεσμα να γίνεται αδιαφανές στο σημείο εκείνο και έτσι η ακτίνα λέιζερ να το διαπερνά και να ανακλάται από το επόμενο στρώμα πίσω στον αισθητήρα ανάγνωσης των δεδομένων. Ο δίσκος DVD είναι ο διάδοχος του CD, εμφανίστηκε στην αγορά το 1996 ως αντικαταστάτης της βιντεοκασέτας και από τότε μέχρι σήμερα χρησιμοποιείται από τις εκδοτικές εταιρίες για τη φθηνή μαζική διάθεση έργων βίντεο. Ωστόσο η μεγάλη του χωρητική ικανότητα και η συμβατότητα των συσκευών εγγραφή και ανάγνωσης DVD με τους δίσκους CD, κατέστησε τα DVD ως την καλύτερη και οικονομικότερη λύση σποραδικής αποθήκευσης δεδομένων για ηλεκτρονικούς υπολογιστές. Η τεχνολογία των συσκευών ανάγνωσης και εγγραφής δίσκων DVD είναι παρόμοια με αυτή των συσκευών οδήγησης CD. Επίσης, το μέγεθος του δίσκου DVD είναι ίδιο με το μέγεθος του CD, κατά συνέπεια, μια συσκευή εγγραφής και ανάγνωσης DVD έχει την ικανότητα να διαβάσει και να γράψει δίσκους CD το ίδιο εύκολα με τους δίσκους DVD. Οι αλλαγές που ευθύνονται για τη διαφοροποίηση του DVD από το CD έγκεινται στα μικρότερα ίχνη δεδομένων, που αποτυπώνονται στην επιφάνεια του μέσου κατά την εγγραφή, λόγω της χρήσης ακτινοβολίας λέιζερ με μικρότερο μήκος κύματος από αυτό των CD (630 με 650 nm - κόκκινο φως) και των καλύτερων οπτικών συστημάτων για την εστίασή της, τεχνική που συντέλεσε στην αύξηση της επιφανειακής πυκνότητας του δίσκου. Με τον τρόπο αυτό, στον δίσκο DVD είναι εφικτό να αποθηκευτούν 7 φορές περισσότερα δεδομένα απ ότι σε ένα δίσκο CD της ίδιας διαμέτρου. Έτσι η χωρητικότητα σε δεδομένα του κοινού δίσκου DVD πλησιάζει τα 4,7 Gigabytes. Βέβαια υπάρχουν και τα DVD διπλής όψεως (double layer), των οποίων η χωρητικότητα φτάνει τα 8,5GB, καθώς χρησιμοποιούνται και οι δύο πλευρές του δίσκου. 18

19 1.4.3 Μαγνητο-οπτικά μέσα αποθήκευσης δεδομένων Ένα ακόμα είδος δίσκων μαγνητικής αποθήκευσης δεδομένων είναι οι μαγνητο-οπτικοί δίσκοι. Αν και η ονομασία τους δηλώνει μια τελείως ανεξάρτητη κατηγορία αποθηκευτικών μέσων, ο τρόπος με τον οποίο αποθηκεύονται τα δεδομένα στην επιφάνειά τους και η διαφορά του με τον αντίστοιχο τρόπο αποθήκευσης δεδομένων σε οπτικούς δίσκους, επιτρέπουν την κατάταξή τους στα μέσα μαγνητικής αποθήκευσης. Η πληροφορία στους μαγνητο-οπτικούς δίσκους αποθηκεύεται στη μορφή μαγνητικών μοτίβων, όπως ακριβώς και στα υπόλοιπα μέσα μαγνητικής αποθήκευσης. Η διαφοροποίησή τους όμως από τα συνηθισμένα μαγνητικά μέσα, εμφανίζεται κατά τη διάρκεια εγγραφής της πληροφορίας, όπου το αποθηκευτικό μέσο πρέπει να θερμανθεί για να γραφτεί η πληροφορία, όπως επίσης και κατά τη διάρκεια της ανάγνωσης της αποθηκευμένης πληροφορίας, η οποία πραγματοποιείται με οπτικό και όχι ηλεκτρομαγνητικό τρόπο. Όλα τα μαγνητικά υλικά έχουν τη φυσική ιδιότητα να χάνουν την αντίστασή τους σε ασκούμενα μαγνητικά πεδία καθώς η θερμοκρασία τους πλησιάζει κάποια συγκεκριμένη τιμή. Η τιμή αυτή, πάνω από την οποία τα υλικά χάνουν τελείως την αντίστασή τους ακόμα και στα πιο ασθενή εξωτερικά μαγνητικά πεδία, είναι γνωστή ως θερμοκρασία Κιουρί. Οι μαγνητο-οπτικοί δίσκοι είναι κατασκευασμένοι κατά τέτοιο τρόπο ώστε η θερμοκρασία Κιουρί του αποθηκευτικού υλικού τους να είναι πολύ μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος. Κατά συνέπεια, υπό φυσιολογικές θερμοκρασίες, οι μαγνητο-οπτικοί δίσκοι είναι αδρανείς στα καθημερινά μαγνητικά πεδία. Η ιδιότητά τους αυτή, σε συνδυασμό με το πλαστικό προστατευτικό κάλυμμά τους, καθιστά τους μαγνητο-οπτικούς δίσκους ως ένα από τα πιο αξιόπιστα μέσα αποθήκευσης δεδομένων. 19

20 S O N Υ Ιχνος Κιυσ-ιμΓ.η κπ; ίλή ιγγροσνκ και ανάγνωσης M Q 128μβ ' 'topn ιπρισιρο^ής δίσκου AKTWfl A Z ^U j Μαγνητο-οτττικ^ς α σ «κ Στατικό< ηλοαρβϋβννήτης Εικόνα (Α) Ένα μαγνητο-οπτικό μέσο (Β) Σχηματική αναπαράσταση οδήγησης ενός μαγνητο-οπτικού μέσου. Για την επίτευξη των κατάλληλων συνθηκών για την εγγραφή δεδομένων στην επιφάνειά του μαγνητο-οπτικού δίσκου, χρησιμοποιείτε μια κόκκινη ακτίνα Λέιζερ υψηλής ισχύος, η οποία θερμαίνει στιγμιαία την περιοχή του μέσου στην οποία πρόκειται να εγγραφούν τα δεδομένα. Ανάλογα με την εστίαση της ακτίνας Λέιζερ, το μέγεθος της θερμαινόμενης επιφάνειας μπορεί να περιοριστεί σε μικροσκοπικό επίπεδο. Σύγχρονες υλοποιήσεις συσκευών εγγραφής και ανάγνωσης μαγνητο-οπτικών δίσκων είναι ικανές να εστιάσουν την ακτίνα Λέιζερ σε μια περιοχή της τάξεων του ενός τετραγωνικού μικρού ή και μικρότερης, θερμαίνοντάς τη σχεδόν ακαριαία στους 200 βαθμούς Κελσίου, τιμή λίγο ανώτερη από τη θερμοκρασία Κιουρί των περισσότερων μαγνητο-οπτικών δίσκων. Έτσι μόνο αυτή η μικροσκοπική περιοχή μπορεί να επηρεαστεί από το μαγνητικό πεδίο του ηλεκτρομαγνήτη εγγραφής, με επακόλουθο την επίτευξη σχετικά ικανοποιητικής συρρίκνωσης της επιφάνειας που καταλαμβάνει η αποθηκευμένη πληροφορία. Σε αντίθεση με τις κοινές συσκευές μαγνητικής αποθήκευσης, όπου ο ηλεκτρομαγνήτης εγγραφής βρίσκεται πάνω σε μια κινούμενη κεφαλή και το μέγεθός του περιορίζεται στο ελάχιστο δυνατό, στις συσκευές οδήγησης μαγνητο-οπτικών μέσων ο ηλεκτρομαγνήτης εγγραφής είναι σταθερός και το μέγεθός του καλύπτει μια μεγάλη περιοχή με πλάτος αρκετά μεγαλύτερο από το ίχνος της ακτίνας Λέιζερ και 20

21 μήκος λίγο μεγαλύτερο από την ωφέλιμη ακτίνα του δίσκου, ώστε το μαγνητικό του πεδίο να εφαρμόζεται σε όλη την περιοχή δράσης της κινούμενης κεφαλής Λέιζερ. Από τη στιγμή που ο ηλεκτρομαγνήτης χρησιμοποιείται αποκλειστικά για την εγγραφή των δεδομένων και το μαγνητικό του πεδίο επηρεάζει μόνο την περιοχή που έχει θερμανθεί από το Λέιζερ, δεν υπάρχει λόγος μετακίνησής του. Το μόνο μετακινούμενο σύστημα είναι η οπτική κεφαλή, ή οποία κατά την εγγραφή ακτινοβολεί την επιφάνεια του μέσου με Λέιζερ υψηλής ισχύος, για να θερμανθεί μέχρι το σημείο Κιουρί, και με Λέιζερ χαμηλής ισχύος κατά την ανάγνωση, για την ανάγνωση της αποθηκευμένης πληροφορίας. Η οπτική κεφαλή αποτελείται από μια πηγή πολωμένης ακτινοβολίας Λέιζερ, συνήθως μια δίοδο Λέιζερ με μήκος κύματος εκπεμπόμενης ακτινοβολίας κοντά στα 680 νανόμετρα, συνδυαζόμενη με τα κατάλληλα φίλτρα πόλωσης και από ευαίσθητα αισθητήρια ανίχνευσης της ανακλώμενης ακτινοβολίας, που χρησιμοποιούνται για την ανάγνωση των αποθηκευμένων δεδομένων. Η ανάγνωση της πληροφορίας στα μαγνητο-οπτικά μέσα πραγματοποιείται με οπτικό και όχι ηλεκτρομαγνητικό τρόπο. Όταν μια πολωμένη ακτίνα φωτός πέσει κάθετα πάνω σε μια μαγνητισμένη γυαλιστερή επιφάνεια, η ακτινοβολία που επιστρέφει δεν έχει την ίδια πολικότητα με αυτή της πυγής αλλά είναι ελαφρώς περιστρεμμένη. Αυτό οφείλεται στο φαινόμενο της περιστροφής Κερ (Kerr rotation effect). Παρομοίως, όταν μια ακτίνα λέιζερ φωτίζει τα μοτίβα των αποθηκευμένων δεδομένων ενός μαγνητο-οπτικού δίσκου, η ανακλώμενη ακτινοβολία είναι ελαφρώς περιστρεμμένη, προς τη μια ή προς την άλλη κατεύθυνση αναλόγως της φοράς του μαγνητικού πεδίου του αποθηκευμένου Bit. Η ανακλώμενη ακτινοβολία συλλαμβάνεται από ευαίσθητους οπτικούς αισθητήρες, οι οποίοι ανιχνεύουν και την παραμικρή περιστροφή στην πολικότητα της ανακλώμενης ακτινοβολίας και έτσι γίνεται ο καθορισμός της ψηφιακής ταυτότητας του μαγνητικού πεδίου του μέσου σε 0 και 1. Λόγο της διαφορετικής προσέγγισης στο μηχανισμό αποθήκευσης και ανάκτησης δεδομένων των συσκευών οδήγησης μαγνητο-οπτικών δίσκων, παρουσιάζονται μεγάλες διαφορές μεταξύ της ταχύτητας εγγραφής και της ταχύτητας ανάγνωσης της πληροφορίας. Η ταχύτητα εγγραφής του μαγνητο-οπτικού δίσκου είναι υποπολλαπλάσια της ταχύτητας ανάγνωσης, γεγονός που οφείλεται στη χρήση 2 περασμάτων (φάσεων περιστροφής του δίσκου) για την εγγραφή της πληροφορίας. 21

22 Τα περισσότερα συμβατικά συστήματα αποθήκευσης δεδομένων σε μαγνητοοπτικούς δίσκους, χρησιμοποιούν το πρώτο πέρασμα για τη διαγραφή τυχών αποθηκευμένων δεδομένων από την επιφάνεια του δίσκου και το δεύτερο πέρασμα για την εγγραφή των νέων. Κατά το πρώτο πέρασμα, τη φάση της διαγραφής, καθώς ο δίσκος περιστρέφεται η ακτίνα λέιζερ θερμαίνει ολόκληρο το ίχνος του δίσκου κάτω από αυτή, ενώ ο στάσιμος ηλεκτρομαγνήτης εγγραφής μαγνητίζει ολόκληρο το ίχνος με το ίδιο μαγνητικό πεδίο. Κατόπιν, στο δεύτερο πέρασμα, τη φάση εγγραφής, το μαγνητικό πεδίο του στάσιμου ηλεκτρομαγνήτη αλλάζει πολικότητα με αποτέλεσμα τα δεδομένα που θα αποθηκευτούν να έχουν αντίθετη μαγνητική πολικότητα από αυτή που απέκτησε το ίχνος του δίσκου κατά τη φάση της διαγραφής. Κατά τη φάση εγγραφής των δεδομένων, η ένταση της ακτινοβολίας λέιζερ πάλλεται κατά συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα, μεταξύ της ελάχιστης τιμής και της μέγιστης ικανής να θερμάνει την περιοχή αποθήκευσης λίγο πάνω από το σημείο Κιουρί, με αποτέλεσμα να αποτυπώνεται στην επιφάνεια του μέσου το ανάλογο μαγνητικό μοτίβο των δεδομένων προς αποθήκευση. Σε μερικές περιπτώσεις γίνεται χρήση και τρίτου περάσματος, κατά τη διάρκεια του οποίου επαληθεύονται τα δεδομένα που μόλις αποθηκεύτηκαν. Εικόνα Κατά την φάση εγγραφής των δεδομένων, η πολικότητα του ηλεκτρομαγνήτη αντιστρέφεται, και το λέιζερ αναβοσβήνει ώστε να δημιουργηθεί το κατάλληλο μοτίβο. 22

23 Αυτές οι φάσεις εγγραφής των δεδομένων και σε συνδυασμό με τη μικρότερη ταχύτητα περιστροφής του δίσκου, ώστε να προλαβαίνει το λέιζερ να θερμάνει ως τη θερμοκρασία Κιουρί το υλικό του αποθηκευτικού μέσου, έχουν σαν αποτέλεσμα την πολύ αργή ταχύτητα αποθήκευσης δεδομένων. Με την ταχύτητα ανάγνωσης δεδομένων να κυμαίνεται στα ανεκτά, για πολλές εφαρμογές, επίπεδα των 3 με 5 Megabytes ανά δευτερόλεπτο και χρόνο προσπέλασης στα δεδομένα γύρω στα 60χιλιοστά του δευτερολέπτου, οι σύγχρονες συσκευές οδήγησης μαγνητο-οπτικών δίσκων αποτελούν μια αρκετά γρήγορη πρόταση αποθηκευτικού μέσου. Ωστόσο, η ταχύτητα εγγραφής των συνηθισμένων συσκευών οδήγησης μαγνητο-οπτικών δίσκων δε ξεπερνά τα 0.8Megabyte ανά δευτερόλεπτο, τιμή η οποία είναι πολύ χαμηλή για πολλές εφαρμογές, όπως επίσης και πολύ χαμηλότερη από αποθηκευτικά μέσα άλλων τεχνολογιών, όπως οι αφαιρούμενοι μαγνητικοί σκληροί δίσκοι και οι οπτικοί. Παρόλα αυτά, η αξιοπιστία τους σαν μέσο αποθήκευσης και ο χρόνος ζωής τους, που κυμαίνεται μεταξύ 50 και 100 έτη αποθήκευσης σε συνθήκες δωματίου, αποτελούν τα κυριότερα κίνητρα προτίμησής τους έναντι άλλων μέσων και τα κυριότερα χαρακτηριστικά για τα οποία δεν έχουν εξαφανιστεί από την αγορά μέχρι σήμερα Μέσα αποθήκευσης δεδομένων, στερεάς κατάστασης Τα αποθηκευτικά μέσα στερεής κατάστασης είναι συσκευές αποθήκευσης δεδομένων κλειστού τύπου, χωρίς κινούμενα μέρη, στις οποίες τα δεδομένα αποθηκεύονται ηλεκτρονικά σε κυκλώματα μνήμης, παρόμοια με αυτά που χρησιμοποιούνται για την προσωρινή αποθήκευση των δεδομένων πριν και μετά την επεξεργασία τους από τον κεντρικό επεξεργαστή ενός ηλεκτρονικού υπολογιστή, κοινός γνωστά και ως RAM (Random Access Memory - Μνήμη Τυχαίας Προσπέλασης). H κύρια διαφοροποίησή της μνήμης που χρησιμοποιείται στα αποθηκευτικά μέσα στερεής κατάστασης, σε σχέση με τη μνήμη RAM που χρησιμοποιείται σήμερα 23

24 στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, έγκειται στο χαρακτηριστικό της να διατηρεί τα αποθηκευμένα σε αυτή δεδομένα και μετά την παύση τροφοδοσίας της με ηλεκτρική ενέργεια. Αντιθέτως, η μνήμη RAM των ηλεκτρονικών υπολογιστών χάνει τελείως το περιεχόμενό της, όταν αυτή δε τροφοδοτείται με ηλεκτρική ενέργεια. Η διαφοροποίηση αυτή ήταν η αιτία χαρακτηρισμού της κοινής μνήμης RAM σε ασταθή μνήμη και της μνήμης που διατηρεί τα δεδομένα της χωρίς τη σπατάλη επιπλέον ηλεκτρική ενέργειας, σε μη ασταθή μνήμη. Τα πλεονεκτήματα των αποθηκευτικών μέσων στερεής κατάστασης έναντι των συμβατικών αποθηκευτικών μέσων όπως οι σκληροί και οι οπτικοί δίσκοι είναι πολλά. Μερικά από αυτά είναι η μεγάλη τους αντοχή σε ισχυρά χτυπήματα, δονήσεις και πτώσεις, οι χαμηλές ενεργειακές απαιτήσεις για τη λειτουργία τους, το μικρό τους μέγεθος και βάρος σαν αποθηκευτική συσκευή και μέσο αποθήκευσης ταυτόχρονα, η υψηλή ταχύτητα πρόσβασης στα δεδομένα τους και η αθόρυβη λειτουργία τους. Ωστόσο η μικρή τους χωρητική ικανότητα και το υψηλό τους κόστος σε σχέση με αυτή, καθιστά τα αποθηκευτικά μέσα στερεής κατάστασης μια αρκετά ακριβή λύση και περιορίζει τη χρήση τους μόνο σε ειδικές εφαρμογές, κυρίως όπου απαιτείται μια φορητή, ελαφριά και ενεργειακά οικονομική αποθηκευτική συσκευή. Η πρώτη μορφή μη ασταθούς μνήμης εμφανίστηκε το 1967 στη μορφή της μνήμης μόνο για ανάγνωση (ROM - Read Only Memory). Το μειονέκτημα της μνήμης ROM είναι πως για την αποθήκευση των δεδομένων απαιτείται ειδικός εξοπλισμός, ενώ η διαγραφή της ήταν αδύνατη. Το 1971 ένας νέος τύπος μνήμης ROM έκανε την εμφάνισή του, ο οποίος είχε την ιδιότητα να χάνει τα δεδομένα του μετά την έκθεσή του σε υπεριώδη ακτινοβολία. Συνεπώς, η χρήση ειδικού εξοπλισμού για την εγγραφή και διαγραφή της μνήμης αυτού του τύπου ήταν για ακόμα μια φορά αναγκαία. Ωστόσο, το 1983 πρωτοπαρουσιάστηκε ένας νέος τύπος μη ασταθούς μνήμης ROM, ο οποίος είχε την ιδιότητα να χάνει τα δεδομένα του ηλεκτρονικά. Η μνήμη αυτού του τύπου ονομάστηκε EEPROM (Electronic Erasable Programmable ROM - ηλεκτρονικά ικανή να σβηστεί προγραμματιζόμενη ROM), και θα γίνει εκτενή αναφορά σε αυτήν στο επόμενο κεφάλαιο. Αργότερα, οι κατασκευαστές, δημιούργησαν έναν άλλο τύπο μνήμης, η οποία μπορούσε να σβήνει τα δεδομένα της αστραπιαία. Προς χάριν της ιδιότητας αυτής, ο συγκεκριμένος τύπος μη ασταθούς μνήμης ονομάστηκε «μνήμη αστραπή» (Flash Memory). 24

25 Εικόνα Κάρτες memory flash Η μνήμη φλας αποτελεί σήμερα το πιο διαδεδομένο αποθηκευτικό μέσο στερεής κατάστασης και χρησιμοποιείται ευρέως σε πολλές εφαρμογές. Από κοινές ηλεκτρονικές συσκευές όπως οι ψηφιακές φωτογραφικές μηχανές, τα PDA (Personal Digital Assistant - Προσωπικός Ψηφιακός Βοηθός), οι προσωπική ηλεκτρονικοί υπολογιστές, οι παιχνιδομηχανές κλπ., μέχρι και σε ειδικό εξειδικευμένο εξοπλισμό για την καταγραφή δεδομένων για επιστημονικές και στρατιωτικές εφαρμογές. Είναι η μνήμη με την οποία θα ασχοληθούμε εκτεταμένα στην εργασία και θα την παρουσιάσουμε σε όλες τις μορφές της, καθώς θα γίνει και αναφορά στις χρήσεις τις στα επόμενα κεφάλαια. Ο παρακάτω πίνακας παρουσιάζει τα πλεονεκτήματα και τα πλεονεκτήματα των μέσων αποθήκευσης των ψηφιακών δεδομένων. 25

26 Μέσο Σκληρός Δίσκος Αφαιρούμεν ς Μαλακός, Δίσκος Πίνακας Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα μέσων αποθήκευσης ψηφιακών δεδομένων Τ ρόιτο^ Α π ό &πκευση» Υ πέρ Μάτγγηχηαός Χωρητικότητα Ταχύτητα μιεταφοράς δεδομένων Ταχύτητα προσπέλασης δεδομένων Διάρκεια ζωής των δεδομένων Σχετικά χαμηλό κόστος ανά χωρητικότητα δεδομένων <TDE) Επανεγγραφή "μα απεριόριστες φορές Αξιοπιστία Mirprrpraoog Μ έτριαταχύτητα προσπέλασης δεδομιένων * Επανεγγράψημος για απεριόριστες φορές * Φορητό μιέσο * χαμηλού κόστους * Κόστος συσκευών οδήγησης * Επανεγγραφή μ α απεριόριστες φορές Αψαιρού μένος Σκληρός * Ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων Μαγνηρπκσς * Χωρητικότητα Δίσκος * Ταχύτητα προσπέλασης δεδομέναϊν * Διάρκεια ζωής των δεδομένων * Αξιοπιστία * Φορητό μέσο σχετικά * χαμηλού κόστους * Μέτριο κόστος συσκευών οδήγησης * Επανεγγραφή μ α απεριόριστες οορές Μαγνητική Ταινία Μαγνη τοοπτικός Δίσκος Οπτικός Δίσκος CT> R-PvW Οπτικός Δίσκος DVD R/RW Μνήμη Flash Μηγνη^πκάς * Χωρητικότητα * Μέτρια, ταχύτητα μεταφοράς δεδομιένων * Διάρκεια ζωής των δεδομένων * Αξιοπιστία * Φορητά μέσο σχετικά χαμηλού κόστους * Κόστας ανά χωρητικότητα δεδομιένων ΜογνηΤΙΚΟς (Οπτικά Υπσβοηθού μενο ς> ' Οπτική ανάγνωση Μέτρια Χωρητικότητα Μέτρια ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων Μ έτρια Ταχύτητα προσπέλασης δεδομένων Διάρκεια ζωής των δεδομένων Αξιοπιστία Φορητό μέσο σχετικά χαμηλού κόστους Απάθεια στα ιιαγνητικά πεδία Οπτικός Μέτρια ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων Μέτρια Ταχύτητα προσπέλασης δεδομένων Διάρκεια ζωής των δεδομένων Αξιοπιστία Φορητό μέσο χαμηλού κόστους Απάθεια στα ιιαγνητικά πεδία Κόστος συσκευών οδήγησης Κόστος ανά χωρητικότητα δεδομιένων Οπτικός Μέτρια Χωρητικότητα Μέτρια ταχύτητα μεταοοράς δεδομένων Μέτρια Ταχύτητα προσπέλασης δεδομιένων Διάρκεια ζωής των δεδομένων Αξιοπιστία Κόστος ανά χωρητικότητα δεδομένων Φορητό μέσο χαμηλού κόστους Απάθεια στα μαγνητικά πεδία Κόστος συσκευών οδήγησης Στερεής κατάστασης Μέτρια ταχύτητα μεταοοράς δεδομένων Ταχύτητα προσπέλασης δεδομένων Μέτρια διάρκεια ζωής των δεδομένων Φορητό μέσο Απάθεια στα μαγνητικά πεδία Αξιοπιστία Κ ατά * Απώλεια των δεδομένων τόσο από εσφαλμένη] χρήση όσο και από βλάβη στ ο λογισμικό ή τον τεχνικό μηχανικό εξοπλισμό. * Ευπάθεια στα μαγνητικά πεδία * Χωρητικότητα * Ταχύτητα μεταοοράς δεδομένων * Διάρκεια ζωής των δεδομένων * Αξιοπιστία * Κόστος ανά χωρητικότητα δεδομένων * Ευπάθεια στα μαγνητικά πεδία * Ευπάθεια στην πολύωρη έκθεση στο ευθύ ο ως ταυ ή λιου * Ευπάθεια στα μαγνητικά πεδία * Κόστος ανά χωρητικότητα δεδομένων * Ευπάθεια στην πολύωρη έκθεση στο ευθύ ο ως του ήλιου * Ταχύτητα προσπέλασης δεδομένων * Κόστος συσκευών οδήγησης * Ευπάθεια στα. μαγνητικά πεδία * Επανεγγραφή 'μα απεριόριστες φορές (ωστόσο δε συνιστάτε λόγο της οθοράς του μιέσου από την επαφή του με την κεοάλή εγγραφής και ανάγνωσης} * Ευπάθεια στην πολύωρη έκθεση στο ευθύ ο ως του ήλιου * Κόστος συσκευών οδήγησης * Κόστος ανά χωρητικότητα δεδομένων * Ευπάθεια στην πολύωρη έκθεση στο ευθύ ο ως του ή λιου * Χωρητικότητα * Επανεγγραφή (αδύνατη "μα του δίσκους τύπου R, μέχρι λίγες χιλιάδες φορές για τους δίσκους RW) * Ευπάθεια στην πολύωρη έκθεση στο ευθύ φως του ήλιου * Επανεγγραοή (αδύνατη για του δίσκους τύπου R ; μέχρι λίγες χιλιάδες φορές "μα τους δίσκους. RW) * Ευπάθεια orijv πολύωρη έκθεση στο ευθύ φως του ήλιου * Χωρητικότητα * Κόστος ανά χωρητικότητα δεδομιένων * Ευπάθεια στα πολύ ισχυρά ηλεκτροστατικά πεδία, 26

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ Η ΜΝΗΜΗ ΚΑΙ Η ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΤΗΣ Η μνήμη θεωρήθηκε σαν βασικό συστατικό της δομής ενός υπολογιστή. Η ύπαρξή της κύριας μνήμης σε έναν υπολογιστή είναι απαραίτητη γιατί ανεξάρτητα σε ποια βοηθητική μονάδα μνήμης βρίσκεται ένα πρόγραμμα (σκληρός δίσκος, δισκέτα, CD- ROM) για να εκτελεστεί αυτό το πρόγραμμα θα πρέπει να μεταφερθεί στην κύρια μνήμη και να παραμείνει εκεί για όλη τη διάρκεια εκτέλεσής του. Η κύρια μνήμη ενός συστήματος υπολογιστή αποτελείται από ένα σύνολο κελιών ή κυψελίδων ή πιο απλά θέσεις μνήμης. Κάθε κελί ή θέση μπορεί να αποθηκεύσει ένα σταθερό αριθμό ψηφίων. Ο αριθμός αυτός συνήθως είναι 8 bits ή πολλαπλάσιό του(1 byte) και ονομάζεται μήκος λέξης. Κάθε κελί χαρακτηρίζεται από ένα μοναδικό αριθμό, ο οποίος προσδιορίζει τη διεύθυνσή του. Μέσω της διεύθυνσης αυτής ο επεξεργαστής και τα προγράμματα μπορούν να αναφέρονται στο περιεχόμενο του κελιού. Εάν μια μνήμη έχει m κελιά, τότε οι διευθύνσεις της είναι από το 0 μέχρι το m-1 ή διαφορετικά, αν η διεύθυνση παριστάνεται με n δυαδικά ψηφία, οι διευθύνσεις της μνήμης κυμαίνονται από 0 έως 2n-1, ενώ ισχύει 2n=m. Οι διευθύνσεις των κελιών συνήθως εκφράζονται στο 16-δικό σύστημα. Ο αριθμός που προσδιορίζει κάθε θέση μνήμης, η διεύθυνσή της, είναι μοναδικός και δεν αλλάζει, σ' αντίθεση με το περιεχόμενο των κελιών που είναι μεταβλητό. Το μέγεθος ενός κελιού μνήμης ονομάζεται λέξη και αποτελεί τη βασική μονάδα αναφοράς στην οργάνωση της μνήμης. Το μήκος της λέξης είναι συνήθως από 1 μέχρι και 8 bytes ή μεγαλύτερο και χαρακτηρίζει τις δυνατότητες του επεξεργαστή. Το byte συνήθως καθορίζει και τη μικρότερη μονάδα μνήμης στην οποία μπορεί να έχει άμεση πρόσβαση ο επεξεργαστής. 27

28 2.2 ΤΥΧΑΙΑ ΚΑΙ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΚΗ ΠΡΟΣΠΕΛΑΣΗ Οι μονάδες μνήμης μπορούν να διαχωριστούν σε μονάδες τυχαίας (ή άμεσης) προσπέλασης και μονάδες ακολουθιακής (ή σειριακής) προσπέλασης. Ο τρόπος προσπέλασης μιας μονάδας μνήμης καθορίζεται από τον τρόπο με τον οποίο μπορούν να αναζητηθούν και να ανακληθούν οι πληροφορίες που περιέχει η συγκεκριμένη μονάδα μνήμης. Ο χρόνος προσπέλασης (access time) μιας μνήμης είναι ο χρόνος που περνάει από τη στιγμή που επιλέγεται μια θέση μνήμης, μέχρι τη στιγμή που το περιεχόμενο της θέσης αυτής έχει διαβαστεί η γραφτεί. Μνήμες τυχαίας προσπέλασης: είναι κατασκευασμένες από ολοκληρωμένα κυκλώματα ημιαγωγών, δεν διαθέτουν κινούμενα μέρη και ο χρόνος προσπέλασης μιας θέσης μνήμης είναι πάντα ο ίδιος και είναι ανεξάρτητος από τη συγκεκριμένη θέση της μνήμης. Μνήμες ακολουθιακής προσπέλασης: οι θέσεις μνήμης δεν είναι άμεσα διαθέσιμες και η πρόσβαση σε αυτές απαιτεί τη χρήση κινούμενων μερών (κεφαλές ανάγνωσης/εγγραφής). Για το λόγο αυτό, ο χρόνος προσπέλασης σε μια θέση μνήμης δεν είναι σταθερός, αλλά εξαρτάται από τη θέση της συγκεκριμένης θέσης μνήμης ως προς την κεφαλή. Η κύρια και η κρυφή μνήμη είναι τύπου τυχαίας προσπέλασης ενώ οι βοηθητικές μνήμες είναι τύπου ακολουθιακής προσπέλασης. 2.3 ΠΡΟΣΚΑΙΡΗ ΚΑΙ ΜΗ ΠΡΟΣΚΑΙΡΗ ΑΠΟΘΗΚΕΥΣΗ Οι μνήμες, των οποίων τα περιεχόμενα χάνονται όταν πάψουμε να τις τροφοδοτούμε με ηλεκτρικό ρεύμα ονομάζονται "πρόσκαιρες" (volatile). Τα ολοκληρωμένα κυκλώματα των στατικών και δυναμικών RAM ανήκουν σε αυτή την κατηγορία αφού τα κύτταρα μνήμης τους χρειάζονται εξωτερική ηλεκτρική ισχύ για να διατηρήσουν την αποθηκευμένη πληροφορία. Αντίθετα οι μη πρόσκαιρες μνήμες 28

29 (novolatile) όπως είναι οι βοηθητικές μνήμες, διατηρούν τις πληροφορίες τους και χωρίς την ύπαρξη ηλεκτρικού ρεύματος. Παράδειγμα μη πρόσκαιρης μνήμης είναι η μνήμη μόνο για ανάγνωση (ROM). Οι μη πρόσκαιρες μνήμες είναι απαραίτητες στους υπολογιστές για να μπορούμε να αποθηκεύουμε προγράμματα και δεδομένα που δεν χρησιμοποιούνται άμεσα αλλά θα τα χρειαστούμε στο μέλλον. Προγράμματα και δεδομένα που είναι απαραίτητα κατά τη διαδικασία εκκίνησης ενός υπολογιστή και δεν πρέπει να μεταβληθούν ποτέ αποθηκεύονται σε ROM. Ο υπολογιστής μπορεί να χρησιμοποιήσει τα περιεχόμενα της ROM όταν παρέχεται σε αυτόν ισχύ. Όταν ο υπολογιστής είναι σε λειτουργία και όταν χρειαστεί τα υπόλοιπα προγράμματα και δεδομένα που είναι αποθηκευμένα σε βοηθητικές μνήμες μπορούν να μεταφερθούν στην κύρια μνήμη (RAM) του υπολογιστή. Επίσης πριν την διακοπή της λειτουργίας του υπολογιστή τα περιεχόμενα της κύριας μνήμης, θα πρέπει να μεταφερθούν σε μια βοηθητική μνήμη εάν η πληροφορία αυτή πρέπει να φυλαχτεί. 2.4 Η ΜΝΗΜΗ ΤΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Ένα από τα κύρια τμήματα κάθε υπολογιστή είναι η μνήμη. Με τον όρο μνήμη χαρακτηρίζουμε οποιαδήποτε μονάδα έχει τη δυνατότητα να αποθηκεύει δυαδικές πληροφορίες και να επιτρέπει την ασφαλή ανάκτησή τους. Στο εσωτερικό της κεντρικής μονάδας ενός υπολογιστή, μπορούμε να εντοπίσουμε μονάδες μνήμης, στον επεξεργαστή, στη μητρική πλακέτα ή σε κάρτες, καθώς και σε μαγνητικές μονάδες ή οπτικές μονάδες (σκληροί δίσκοι κ.α.). Ορισμένες από τις μονάδες αυτές (κρυφή και κύρια μνήμη) είναι άμεσα προσπελάσιμες από τον επεξεργαστή (ΚΜΕ), ενώ ορισμένες άλλες (σκληρός δίσκος κ.α.) είναι προσπελάσιμες μέσω μηχανισμών εισόδου-εξόδου. Επιπλέον μπορούν να χρησιμοποιηθούν μαγνητικές ή οπτικές μονάδες μνήμης, που βρίσκονται έξω από την κεντρική μονάδα του υπολογιστή, μέσω μηχανισμών εισόδου-εξόδου. Η μνήμη ενός υπολογιστή διακρίνεται συνήθως στην κύρια μνήμη, ή απλά μνήμη, και τη δευτερεύουσα ή βοηθητική μνήμη. Στην κύρια μνήμη περιλαμβάνεται 29

30 η RAM (Random Access Memory) και η ROM (Read Only Memory) ενώ στις βοηθητικές μνήμες περιλαμβάνονται οι μαγνητικές και οι οπτικές μονάδες μνήμης. 2.5 Η ΜΝΗΜΗ RAM Εικόνα Μια μνήμη RAM Η μνήμη RAM (Random Access Memory), δηλ. μνήμη τυχαίας προσπέλασης, είναι η πιο γνωστή μορφή (τύπος) μνήμης υπολογιστή. Η μνήμη RAM θεωρείται ότι είναι τυχαίας προσπέλασης (random access) επειδή μπορούμε να έχουμε πρόσβαση απευθείας σ' ένα οποιοδήποτε κύτταρο ή κελί της μνήμης αυτής (memory cell) αν 30

31 γνωρίζουμε τη γραμμή (row) και τη στήλη (column) όπου βρίσκεται αυτό το κελί (cell). Το αντίθετο της μνήμης RAM είναι η μνήμη SAM (Serial Access Memory), δηλ. μνήμη σειριακής προσπέλασης. Η SAM αποθηκεύει τα δεδομένα ως μια σειρά από κύτταρα μνήμης (memory cells) στα οποία μπορεί να υπάρξει μόνο σειριακή πρόσβαση, όπως δηλαδή συμβαίνει σε μια κασέτα. Αυτό σημαίνει ότι αν αναζητάμε κάποια δεδομένα, τότε θα πρέπει να ελεγχθούν όλα τα κύτταρα μνήμης από την αρχή μέχρι να βρεθούν τα επιθυμητά δεδομένα. Η SAM εργάζεται πολύ καλά με τους καταχωρητές μνήμης (memory buffers), όπου τα δεδομένα είναι συνήθως αποθηκευμένα με τη σειρά με την οποία πρόκειται να χρησιμοποιηθούν, ενώ τα δεδομένα που υπάρχουν στη μνήμη RAM μπορούν να προσπελαστούν με οποιαδήποτε σειρά (τυχαία) Τα Βασικά για τη RAM Όπως ένας μικροεπεξεργαστής (microprocessor), ένα τσιπ μνήμης (memory chip) είναι κι αυτό ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα (IC, integrated circuit), που αποτελείται από εκατομμύρια τρανζίστορ (transistors) και πυκνωτές (capacitors). Στην πιο κοινή μορφή της μνήμης του υπολογιστή, που είναι η DRAM (Ddynamic Random Access Memory), ένα τρανζίστορ και ένας πυκνωτής υπάρχουν ως ζευγάρι για να μπορέσουν να δημιουργήσουν ένα κύτταρο μνήμης (memory cell), το οποίο παριστάνει ένα μόνο bit (δυαδικό ψηφίο) δεδομένων. Ο πυκνωτής περιέχει το bit της πληροφορίας, δηλ. ένα 0 ή ένα 1, ενώ το τρανζίστορ ενεργεί ως ένας διακόπτης (switch) που επιτρέπει στο κύκλωμα ελέγχου του τσιπ μνήμης να διαβάσει τον πυκνωτή ή να αλλάξει την κατάστασή του. Ο πυκνωτής είναι σαν ένας μικρός κουβάς (δοχείο) που μπορεί να αποθηκεύσει ηλεκτρόνια (electrons). Για να αποθηκεύσει το 1 στο κύτταρο μνήμης, ο κουβάς γεμίζει με ηλεκτρόνια, ενώ για να αποθηκεύσει το 0, αδειάζει. Το πρόβλημα με τον κουβά του πυκνωτή είναι ότι παρουσιάζει μια διαρροή και σε ελάχιστα χιλιοστά του δευτερολέπτου μπορεί να αδειάσει ένας γεμάτος κουβάς. Συνεπώς, για να μπορέσει να δουλέψει σωστά η δυναμική μνήμη, θα πρέπει είτε η CPU ή ο ελεγκτής μνήμης (memory controller) να αναλάβει δράση και να ξαναφορτίσει όλους τους πυκνωτές που περιέχουν ένα (1) πριν αυτοί αποφορτιστούν. 31

32 Για να γίνει αυτό, ο ελεγκτής μνήμης διαβάζει τη μνήμη και μετά την ξαναγράφει αμέσως. Αυτή η διαδικασία της ανανέωσης συμβαίνει αυτόματα χιλιάδες φορές το δευτερόλεπτο. Ο πυκνωτής, που είναι ένα κύτταρο μνήμης δυναμικής RAM, είναι όπως ένας κουβάς που παρουσιάζει διαρροή και πρέπει συνεπώς να ανανεώνεται (refreshed) περιοδικά ή αλλιώς θα εκφορτιστεί σε 0. Αυτή η διαδικασία της ανανέωσης είναι απ' όπου έλαβε το όνομά της η δυναμική μνήμη (dynamic memory), η οποία θα πρέπει να ανανεώνεται δυναμικά συνέχεια αλλιώς θα χάσει το περιεχόμενό της. Το μειονέκτημα αυτής της διαδικασίας της ανανέωσης είναι ότι απαιτεί χρόνο και επιβραδύνει τη μνήμη. Αυτά τα κύτταρα μνήμης χαράζονται σ' ένα κομμάτι από πυρίτιο και σε μια διάταξη από στήλες (bit lines) και γραμμές (word lines). Η τομή ενός bit line και ενός word line αποτελεί τη διεύθυνση (address) του κυττάρου μνήμης. Η μνήμη αποτελείται από δυαδικά ψηφία (bits) που είναι διατεταγμένα σ' ένα πλέγμα δύο διαστάσεων. Η DRAM εργάζεται στέλνοντας ένα φορτίο μέσω της κατάλληλης στήλης για να ενεργοποιήσει το τρανζίστορ σε κάθε bit της στήλης. Όταν κάνει εγγραφή, οι γραμμές των σειρών περιέχουν την κατάσταση που θα πρέπει να έχει ο πυκνωτής. Στην ανάγνωση, ο sense-amplifier καθορίζει το επίπεδο της φόρτισης στον πυκνωτή. Αν είναι πάνω από 50%, το διαβάζει ως ένα 1, αλλιώς το διαβάζει ως ένα 0. Ο μετρητής (counter) καταγράφει τη σειρά ανανέωσης λαμβάνοντας υπόψη σε ποιες γραμμές υπήρξε πρόσβαση και με ποια σειρά. Ο χρόνος που απαιτείται για να γίνει αυτό είναι τόσο μικρός που εκφράζεται σε νανοδευτερόλεπτα (nanoseconds), δηλ. σε δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Ένα τσιπ μνήμης με ρυθμό (rating) 70ns σημαίνει ότι χρειάζεται 70 nanoseconds για να διαβάσει πλήρως και να ξαναφορτίσει το κάθε κελί μνήμης. Τα κύτταρα μνήμης θα ήταν άχρηστα αν δεν υπήρχε κάποιος τρόπος να λάβουμε πληροφορίες από και προς αυτά. Έτσι υπάρχει μια πλήρης δομή υποστήριξης από άλλα εξειδικευμένα κυκλώματα, τα οποία μπορούν να κάνουν τις εξής λειτουργίες : Αναγνώριση της κάθε γραμμής (row) και της κάθε στήλης (column) (row address select και column address select). Παρακολούθηση της σειράς ανανέωσης (μετρητής). Ανάγνωση και επαναφορά του σήματος από ένα κελί μνήμης (sense amplifier). 32

33 Ενημέρωση ενός κελιού μνήμης για το αν θα πρέπει να λάβει ένα φορτίο ή όχι (write enable). Άλλες λειτουργίες του ελεγκτή μνήμης (memory controller) περιλαμβάνουν μια σειρά από εργασίες όπως αναγνώριση του τύπου, της ταχύτητας και της ποσότητας της μνήμης καθώς και τον έλεγχο λαθών. Η στατική RAM χρησιμοποιεί μια τελείως διαφορετική τεχνολογία, όπου ένα είδος κυκλώματος flip-flop περιέχει το κάθε bit της μνήμης. Ένα flip-flop για ένα κύτταρο μνήμης χρειάζεται 4 ή 6 τρανζίστορ μαζί με κάποια καλωδίωση, αλλά δεν απαιτείται ποτέ να γίνει ανανέωση. Αυτό κάνει τη στατική RAM να είναι σημαντικά ταχύτερη από τη δυναμική RAM. Όμως, επειδή περιέχει περισσότερα εξαρτήματα, ένα κύτταρο στατικής μνήμης καταλαμβάνει πολύ περισσότερο χώρο σ' ένα τσιπ απ' ότι ένα κύτταρο δυναμικής μνήμης. Συνεπώς, έχουμε λιγότερη μνήμη ανά τσιπ και αυτό κάνει τη στατική RAM να είναι πολύ περισσότερο ακριβή. Έτσι, η στατική RAM είναι γρήγορη και ακριβή και η δυναμική RAM είναι λιγότερο ακριβή και πιο αργή. Η στατική RAM χρησιμοποιείται για να κατασκευαστεί η λανθάνουσα μνήμη (cache) της CPU, που πρέπει να είναι γρήγορη, ενώ η δυναμική RAM χρησιμοποιείται στη μεγαλύτερη μνήμη του συστήματος, που είναι η RAM Κοινοί Τύποι Μνήμης RAM SRAM (static random access memory). Χρησιμοποιεί πολλαπλά τρανζίστορ, τυπικά 4 έως 6, για κάθε κελί μνήμης αλλά δεν έχει έναν πυκνωτή σε κάθε κελί. Χρησιμοποιείται κυρίως για τη μνήμη cache, που είναι γνωστή και ως λανθάνουσα μνήμη. DRAM (ddynamic random access memory). Περιέχει κελιά μνήμης με ζευγάρια από τρανζίστορ και πυκνωτές τα οποία χρειάζονται συνεχείς ανανεώσεις. 33