ذخیره و بازیابی اطلاعات

هر سیستم کامپیوتری از یک( یا بیش از یک ) کامپیوتر یا " ماشین "و تعدادی تجهیزات جانبی تشکیل شده است . از این نقطه نظر می توان گفت که چنین سیستمی دارای دو محیط است :

·         محیط درون ماشینی

·         محیط برون ماشینی

محیط درون ماشینی ، از خود کامپیوتر( ها ) با اجزاء و عناصر داخلی اش و محیط برون ماشینی ، از دستگاههای جانبی آن تشکیل شده است . از این تجهیزات ، برخی برای ذخیره سازی اطلاعات و مرتبط کردن دستگاههای ذخیره سازی یا رسانه های ذخیره سازی با کامپیوتر ، به کار می روند و برخی دیگر امکانات تماس انسان و به طور کلی محیط برون ماشینی هستند . چنین سیستمی آناتومی خاص خود را دارد .
رسانه های ذخیره سازی را ، اعم از اینکه در محیط درون ماشینی باشند و یا در محیط برون ماشینی ، اصطلاحاً حافظه می نامند .
تعریف حافظه :هر دستگاهی که قادر به نگهداری اطلاعات باشد( بتوان اطلاعات را در آن ذخیره کرد ) به نحوی که استفاده کننده از آن بتواند ، در هر لحظه که لازم باشد ، به اطلاعات مورد نیازش دستیابی داشته باشد ، حافظه نامیده می شود .که در این مبحث میتوان به موضوعاتخصوصیات حافظه وسلسله مراتب حافظه ها نیز اشاره کرد.
با توجه به وجود دو محیط ، می توان حافظه های موجود در یک سیستم کامپیوتری را به دو رده کلی تقسیم کرد :

·         حافظه های درون ماشینی

·         حافظه های برون ماشینی

حافظه های برون ماشینی از نظر تکنولوژی ساخت

·         تکنولوژی الکترومکانیک

·         تکنولوژی الکترومغناطیس

·         تکنولوژی الکترواپتیک

·         تکنولوژی الکترومغنااپتیک

انواع حافظه های برون ماشینی در هر یک ازچهار تکنولوژی عبارتند از :

·         تکنولوژی الکترومکانیک:

o        کارت منگنه شدنی

o        نوار منگنه شدنی

·         تکنولوژی الکترومغناطیس:

o        نوار مغناطیسی

o        دیسک مغناطیسی

o        طبله

·         تکنولوژی الکترواپتیک : دیسک نوری

·         تکنولوژی الکترومغنااپتیک : دیسک نوری – مغناطیسی

*سیستم فایل از دیدگاه ذخیره و بازیابی اطلاعات
*ارزیابی پارامتریک رسانه های مختلف«نوار و دیسک و...)
*ساختار های ذخیره فایل«پایل- ترتیبی -شاخص دار و....)

نوار مغناطیسی

معرفی نوار
رسانه ایست از جنس نوعی پلاستیک با غشاء مغناطیس شونده بر یک رویه ( فرو مغناطیسی ) و لغزان بر ریلهایی با ابعاد مختلف، ابعاد نوعی از نوار 2500 فوت طول و 2/1 اینچ عرض است . در اندازه های دیگر نیز موجود است . این رسانه ماهیتاً برای پردازش پی در پی رکوردها مورد استفاده قرار می گیرد . از نظر تکنولوژی ساخت ، به چهار دسته کلی تقسیم می شود :

·         ریل به ریل

·         نوار کارتریج

·         نوار کاست

·         نوار صوتی تطبیق داده شده با کامپیوتر

دستگاه نوار خوان مجهز است به نوک خواندن / نوشتن که می تواند اطلاعات را روی نوار ظبط و یا اطلاعات ضبط شده را " حس " کند
نحوه ذخیره سازی داده روی نوار
داده ها به صورت رشته های بیتی روی شیارهایی که در سطح نوار وجود دارد ، ذخیره می شوند . بیت های یک کاراکتر ، روی شیارها و در عرض نوار ضبط می گردند .
از نظر تعداد شیار ، دو نوع نوار رایجتر است : نوار 7 شیاره و نوار 9 شیاره . یکی از شیارها ، به عنوان شیار کنترل پاریتی به کار می رود .
در نوار دو نوع بیت پاریتی وجود دارد :

·         بیت پاریتی عرضی یا کاراکتری

·         بیت پاریتی طولی

بیت پاریتی عرضی برای هر کاراکتر و بیت پاریتی طولی ، برای تعدادی کاراکتر مثلاً به ازاء یک بلاک ایجاد می شود .
داده های ذخیره شده روی نوار ، در سطح فیزیکی ، تعدادی رشته بیتی موازی هستند . چنین دیدی از داده ذخیره شده روی سیستم فایل مطرح نیست . به بیان دیگر ، از نظر سیستم فایل ( که خود سطوحی دارد ) داده ها در قالب تقسیمات خاصی ذخیره می شوند ، هریک با ساختار مشخص ( این تقسیمات عبارتند از فیلد ، رکورد ، بلاک ، تعدادی بلاک با نام مشخص ، فایل و گروه فایلها . ) توجه داریم که فیلد می تواند حاوی یک کاراکتر هم باشد .
چگالی نوار
تعداد بیت های قابل ضبط در هر اینچ نوار را چگالی گویند . چگالی را با واحد بیت در اینچ (bpi) بیان می کنند که با توجه به نحوه نشست کاراکترها روی شیارها ، همان بایت در اینچ یا کاراکتر در اینچ است . از جمله چگالی رایج ، 800bpi ,1600bpi است . البته نوار با چگالی 3200bpi , 6250bpi و بیشتر نیز وجود دارد .
گپ
فضایی است بلا استفاده بین دو گروه کاراکتر ضبط شده . کلمه گروه در اینجا هم به رکورد اطلاق می گردد و هم به بلاک . در صورتی که بین هر دو بلاک باشد به آن گپ بین بلاکها و اگر گپ بین دو رکورد باشد ، به آن گپ بین رکوردها می گویند .
وجود گپ برای متوقف کردن نوار و یا حرکت دوباره آن لازم است.زیرا برای آنکه نوک خواندن / نوشتن بتواند داده ای ذخیره شده را " حس " کند ، باید که نوار ، پس از توقف به سرعتی مطلوب و یکنواخت موسوم به سرعت حس برسد ، ودر این اثناء این مدت تکه ای از نوار زیر نوک R/W می گذرد ، ضمن اینکه در حین کاهش سرعت حس تا توقف نیز تکه ای از نوار از زیر نوک رد می شود . این دو تکه نوار همان گپ را تشکیل می دهند و چون این قسمت از نوار در حالت توقف – حرکت با سرعت کمتر از سرعت حس طی می شود ، نمی توان داده ای را در این قسمت حس کرد ود رنتیجه بلا استفاده ( "هرز " ) است .
پارامترهای نوار
دودسته پارامتر وجود دارد :

·         پارامترهای ظرفیتی

·         پارامترهای زمانی ( یا وابسته به زمان )

پارامترهای ظرفیتی عبارتند از :

1.      چگالی ( تراکم ) : به واحد بیت در اینچ (BPI)

2.      طول نوار : به واحد فوت

با داشتن این دو پارامتر می توان ظرفیت اسمی نوار را به دست آوردS=L×D
پارامترهای زمانی عبارتند از :

1.      سرعت لغزش نوار به واحد اینچ در ثانیه .

2.      نرخ انتقال به واحد بایت در ثانیه ( یا اضعافی از بایت در ثانیه)نرخ انتقال دو نوع است : اسمی و واقعی . نرخ اسمی توسط سازنده اعلام می شود و نرخ انتقال واقعی قابل محاسبه است .

3.      زمان حرکت – توقف به واحد میلی ثانیه . این زمان در واقع تفاوت بین زمان طی کردن گپ با سرعت حس و زمان طی کردن گپ در حالت توقف نوار و حرکت دوباره آن تا رسیدن به سرعت حس است .

نوار کاست
این دستگاه کاملاً شبیه نوارهای صوتی متداول است . نوعی از آن ، دارای عرض 15/0 اینچ ، طول 100 تا 150 فوت بوده و از ارزانترین حافظه هایی است که عمدتاً در مینی و کامپیوتر های کوچک کاربرد دارد .
ضبط کننده های صوتی تطبیق داده شده با کامپیوتر
در اکثر کامپیوترهای شخصی و تجاری از ضبط کننده های صوتی ارزان برای ضبط داده ها استفاده می شود . سرعت گونه ای از این نوارها 875/1 اینچ در ثانیه بوده ، کند حرکت می کند .طول این گونه نوار 562 فوت و ظرفیت آن 500000 بایت در هر طرف است . این نوع نوار در ابعاد دیگری هم وجود دارد .
نوار کارتریج
تفاوت آن با نوارهای معمولی ( ریل به ریل ) این است که این نوارها در یک محفظه پلاستیکی جای دارند ، تا از تماس خارجی و گرد و خاک محفوظ بمانند . این گونه نوارها نیز دو ریل دارند که نوار بر آنها می لغزد . انواع استانداردی از این گونه نوارها موجود است از جمله :
نوار نوع 300 : طول 300 و 450 فوت ، عرض 25/0 اینچ ، ابعاد محفظه : 7/0*6*4 اینچ
نوار نوع 100 : طول 140 فوت , عرض 15/0 اینچ ،ابعاد محفظه : 5/0*2*3*2/4 اینچ
به نوع دوم گاهی مینی کارتریج می گویند .
نوع اول ، به چهار شیار M3/4 و نوع دوم با دو شیار ، K4/6 ذخیره می کند .
در نوع دیگری از کارتریج به نام QIC ، عرض 27/6 میلی متر و ظرفیت آن بین MB40 تا GB10 است .

دیسک مغناطیسی

معرفي ديسك
رسانه اي ايست گردان ، با امكان دستيابي مستقيم به داده هاي ذخيره شده و به آن اصطلاحاً DASD مي گويند . در اساس صفحه اي مدور است . ( به قطر 8/1 تا 14 اينچ ) مغناطيس شونده و گردان حول محوري عمودي . يك يا هردو رويه صفحه از غشائ فرو مغناطيس به ضخامت چند هزارم ميلي متر پوشيده شده است . براين غشا شيارهايي به صورت دوائر متحدالمركز و يا به صورت حلزون وار وجود دارد كه ازبيرون به درون و معمولاً با شروع از صفر ، شماره گذاري مي شوند . فاصله هر دو شيار حدود 021/0 اينچ است . داده ها به صورت رشته بيتي روي شيارها ضبط مي شوند و تكنيكهاي مختلفي براي ضبط وجود دارد
به طور كلي نواحي رويه از بيرون به درون عبارتند از :
-ناحيه فرود نوك
-ناحيه شروع حركت
-ناحيه احتياطي بيروني
-ناحيه شيارهاي ضبط داده
-ناحيه احتياطي دروني
-ناحيه احتياطي نهايي
از آنجا كه ديسك پس از شروع به گردش ، پس از مدت كوتاهي به سرعت گردش ثابتي مي رسد و به طور مداوم در چرخش است ، ( البته نه در همه انواع ) لذا در نوع سخت آن بايد نوك خواندن / نوشتن فاصله بسيار اندكي با رويه داشته باشد . در فاصله بين نوك و رويه هواي تصفيه شده جريان دارد . هرگونه آلودگي هوا باعث خدشه دار شدن رويه مي شود .
رده بندي ديسكها
ديسك را از نقطه نظر هاي مختلفي رده بندي مي كنيم :

·         از نظر امكان جابجا شدن : ديسكهاي ثابت و ديسكهاي جابجا شدني

·         از نظر ثابت يا متحرك بودن نوك خواندن / نوشتن : ديسكهاي با نوك ثابت و ديسكهاي با نوك متحرك . در ديسكهاي با نوك ثابت ، بازويي كه نوك خواندن / نوشتن به آن متصل است . حركت نمي كند . در ديسكهاي با نوك متحرك ، بازو بر رويه ديسك حركت دارد و از شياري به شياري ديگر جابجا مي شود . در ديسكهاي با نوك ثابت ، هر شيار نوك خواندن / نوشتن خاص خود را دارد و نيازي به حركت بازوي ديسك براي رفتن از يك شيار به شيار ديگر نيست . اينگونه ديسكها سريعتر ، گرانتر و حساسترند .

·         از نظر تعداد رويه در صفحه : يك رويه و دو رويه

·         از نظر تعداد لايه در رويه : تك لايه ودو لايه ( رويه دولايه تكنولوژي جديدتر است ) .

·         از نظر تعداد صفحاتي كه روي محور عمودي جايگذاري مي شوند : ديسكهاي تك صفحه اي و ديسكهاي چند صفحه اي .

ديسكهاي چند صفحه اي را اصطلاحاً پك مي گويند . يك پك با n صفحه داراي n 2 رويه است كه معمولاً 2-n2 رويه آن براي ذخيره سازي و دو رويه بالايي و و پاييني براي حفاظت بيشتر به كار مي روند . در بعضي انواع همه n2 رويه براي ذخيره سازي استفاده مي شود .

·         از نظر جنس صفحه : دو نوع ديسك وجود دارد : ديسك سخت و ديسك انعطاف پذير ( نرم ) .

ديسك سخت ، معمولاً از جنس آلومينيوم و ديسك انعطاف پذير از جنس نوعي پلاستيك است

·         از نظر تكنولوژي ساخت : ديسك مغناطيسي ، ديسك نوري و ديسك نوري – مغناطيسي .

تقسيمات ديسك

·         استوانه : تمام شيارهاي با شعاع يكسان ( طبعاً از رويه هاي مختلف ) تشكيل يك استوانه را مي دهند . يك ديسك پك ، به تعداد شيارهاي هر رويه ، استوانه دارد .

·         شيار : محل صبط بيت هاي اطلاعات در هر رويه . شيارها معمولاً به صورت دواير متحد المركز و يا حلزون وار هستند .

·         سكتور : تقسيماتي است از شيار با اندازه مساوي ، هر شيار از تعدادي سكتور تشكيل شده است . دو نوع سكتور وجود دارد :

·         سكتور نرم افزاري كه توسط سازنده ايجاد مي شود ( فرمت كردن سطح پايين )

·         سكتور نرم افزاري ( گاه موسوم به بلاك ) كه از طريق نرم افزار ( سيستم عامل ) قابل ايجاد است و به اين كار فرمت كردن نرم افزاري مي گويند .

·         شماره درايور

·         شماره استوانه ( شماره شيار از رويه)

·         شماره شيار در استوانه ( رويه از استوانه نيز گفته مي شود)

·         شماره سكتور ( يا بلاك )

در بعضي از سيستمهاي عامل ، تعدادي سكتور همجوار و گاه نا همجوار نوعي تقسيم بندي منطقي را تشكيل مي دهند . مثلاً در محيط DOS ، خوشه " واحد تخصيص " فضا به فايل است و اندازه آن 2048 بايت ، 4096 بايت و 8191 بايت هم مي تواند باشد ، در حاليكه اندازه يك سكتور 512 بايت است .
پارامترهاي ديسك
دودسته پارامتر داريم :

·         پارامترهاي ظرفيتي

·         پارامترهاي زماني

پارامترهاي ظرفيتي عبارتند ا ز:

1.      اندازه سكتور ( از 32 بايت تا 4096 بايت و معمولاً 512 بايت)

2.      تعداد سكتور در شيار ( از 4 تا 32 در فلاپي ها و بيشتر در ساير انواع ، گاه تا 100 ) . تعداد سكتور در شيار در ديسكهاي سخت جديد، در شيارهاي بيروني بيشتر از شيارهاي دروني است . اين رسانه ها به IDE موسومند . البته وضع به گونه اي است كه ازنظر سيستم عامل ، انگار تعداد سكتور در همه شيارها يكسان است .

3.      تعداد رويه در استوانه ( تعداد نوك R/W ) از يك تا بيش از 20 رويه

4.      تعداد شيار در رويه ( تعداد استوانه : از 20 تا 2000 شيار )

چگالي هم از پارامترهاي ظرفيتي است و واحد آن بيت در اينچ مربع است ، اما در سيستم فايل مستقيماً در محاسبه ظرفيت به كار نمي آيد .
افزايش چگالي ديسك از قانوني تبعيت مي كند موسوم به قانون هوگلند .

پارامترهاي زماني عبارتند از :

1.      زمان استوانه جويي ( پيگرد ) زماني است كه سپري مي شود تا نوك خواندن / نوشتن به استوانه مورد نظر برسد (يعني استوانه اي كه " داده مورد نظر " در آنست ، اين زمان در ديسكهاي با بازوي ثابت صفر است . متوسط اين زمان را با S نمايش مي دهيم و واحد آن ميلي ثانيه است . اين زمان معمولاً بين حدود 2 تا حدود 30 ميلي ثانيه است و در اكثر ديسكها مهمترين زمان است .

2.      سرعت گردش ديسك : به واحد دور در دقيقه بيان مي شود ، مثلاً 3600 -5400-7200 دور در دقيقه و گاه حتي بيشتر . از اين پارامتر ، زمان يك دور گردش ديسك به دست مي آيد و آنر به2r نشان مي دهيم و واحد آن ميلي ثانيه است .

3.      زمان انتظار دوران ( درنگ دوران ) . مدت زماني است كه سپري مي شود تا آغاز " داده مورد نظر " در اثر دوران ديسك به زير نوك R/W برسد .

4.      نرخ انتقال : تعداد بايتي كه در يك ثانيه قابل انتقال است و به واحد بايت در ثانيه ( يا اضعافي از بايت در ثانيه ) بيان مي شود .دونوع نرخ انتقال داريم : اسمي و واقعي . نرخ انتقال اسمي توسط سازنده اعلام مي شود و نرخ انتقال واقعي قابل محاسبه است . نرخ انتقال ديسكهاي جديد از يك تا پنج مگابايت در ثانيه است .

5.      زمان ديگري هم در ديسك وجود دارد موسوم به زمان استقرار .وقتي كه نوك R/W به استوانه اي برده مي شود ، به مدت كوتاهي ، (حدود ms 3) در حال لرزش است تا استقرار بيابد .

اين زمان را معمولاً به زمان استوانه جويي اضافه مي كنند و جزء همين زمان است و به عنوان پارامتر جداگانه اي مطرح نمي شود .
پارامتر ديگري هم در ديسكه مطرح است موسوم به مدت بي عيبي ، پارامتري است نشان دهنده ميزان اطمينان عملياتي ديسك و عبارتست از ميانگين مدت زماني كه ديسك بدون عيب كار مي كند ( معمولاًص بين 500000 تا 200000 ساعت .
نحوه ضبط داده ها روي ديسك
داده ها به صورت رشته هاي بيتي روي شيارها ذخيره مي شوند ، البته چگالي ضبط داده ها در شيارهاي بيروني كمتر از شيارهاي دروني است ، در تكنولوژي هاي اخير بيشتر از شيارهاي دروني است . چگالي ديسك با واحد بايت در اينچ مربع بيان مي شود .
ديسك نرم
از رسانه هاي ذخيره سازي خارجي با دستيابي مستقيم و از نظر شكل ظاهري ، مشابه ديسكهاي متداول ، البته با ابعادي كوچكتر است . جنس آن از نوعي پلاستيك است و سختي ديسكهاي موسوم به سخت را ندارد. اين ديسك در محفظه اي جاي دارد ، هم براي حفاظت آن از تماسهاي خارجي و هم به منظور ثابت نگاهداشتن آن .
برخلاف ديسكهاي سخت كه در آن نوك خواندن / نوشتن فاصله اي اندك و كنترل شده با سطح دارد ، در اين ديسكها نوك خواندن / نوشتن با ديسك تماس دارد . اين ديسكها مي توانند يك رويه يا دو رويه باشند. داده ها به صورت سريال روي شيارها ذخيره مي شوند .

دیسک نوری

استفاده از نور ، به جای مغناطیس برای ذخیره سازی داده ها ، این مزیت را دارد که فضای لازم برای ذخیره کردن یک بیت خیلی کمتر می شود . در دیسکهای نوری از تکنولوژی لیزر ی برای ضبط اطلاعات استفاده می کنند . در نیمه دوم دهه 80-70 پژوهشهایی به منظور ایجاد اینگونه دیسکها آغاز و به نظر می رسد اولین دیسک از این نوع در 1979 ساخته شد .
دیسکهای نوری سبب کاهش فضای ذخیره سازی می شوند و جهشی است در جهت نیل بیشتر به اهدافی که بشر همیشه دنبال کرده است : کاهش هرچه بیشتر فضای ذخیره سازی ، سرعت دستیابی بالاتر به داده های ذخیره شده و هزینه کمتر تاکنون تکنولوژی توانسته است گونه هایی چند از این دیسکها به بازار عرضه کند .
از جمله این نوع دیسکها می توان از :
CD-RW , EOD , WORM , DVD , CD-I ,CD-ROM . CD نام برد .

دیسک نوری – مغناطیسی

با تلفیق دو تکنولوژی مغناطیسی و نوری ، تلاش می شود تا دیسکهایی ایجاد شوند که هم خاصیت قابل پاک شدن و بازنویسی دیسکهای مغناطیسی را داشته باشند و هم چگالی و ظرفیت بسیار بالای دیسکهای نوری .
به نظر می رسد که اینگونه دیسکها در تولید انبوه به بازار مصرف عرضه شده است . قطر این دیسکها 5 اینچ بوده ، از نوع پاک شدنی هستند و از سرعت بسیار بالایی برخوردارند ، سرعت انتقال در این دیسکها حدود یک مگابایت در ثانیه ویا بیشتر است.