Háttértárak

Ebben a jegyzetben az informatika történetének korai adattárolási technológiáiról olvashatsz. A merevlemezről és a modern adattárolási technológiákról külön tételek értekeznek.

Lyukkártya

A lyukkártya vagy lyukszalag egy perforált kártya vagy szalag, amin a lyukak adatokat reprezentálnak. Először az 1700-as években fordult elő: szövőgépek tartozéka volt. Lyukkártyán tárolták a mechanikus szövőgépek által szőtt anyag mintázatát. Az 1950-60-as években már a számítástechnikában használták bitsorozatok tárolására. Kiolvasása történhet mechanikai (egy fém kar teszteli, hogy az adott ponton van-e lyuk – ha van, akkor záródik az áramkor, ha nincs, akkor nem tud záródni) vagy optikai úton (papír egyik oldalán egy fényforrás, másik oldalán fényérzékelő található).

Mágnesszalag

A mágnesszalag egy vékony műanyag tekercs, ami mágnesezhető réteggel van bevonva. Először analóg jel tárolására használták (audio vagy videojel), később digitális adat tárolására is felhasználták. Előnye egyéb számítástechnikában elterjedt mágneses tárolási módszerrel (merevlemez, floppy) szemben, hogy nagyon sok adat fér egy mágnesszalagra, akár 5 GB is – persze a szalag hosszától függően több is. Míg a feltekercselt szalag teljes terjedelme kicsi, a szalag felülete nagyon nagy ezért nagy a tárolókapacitása. Az előállítási költségek is alacsonyabbak, mint a finommechanikát igénylő HDD-é. Eleinte adattárolásra, később biztonsági mentések tárolására használták őket a 60-as évektől kezdődően a 90-es évekig.

Érdekes mágnesszalagos történet 2010-es évekből, amikor szakembereknek egy 2060-ig titkosított, régi nemzetbiztonsági adatokat tároló sérült mágnessszalagról kellett adatot menteniük, az adatok elolvasása nélkül: http://magnesszalagok.blog.hu/2010/01/26/aebkronika

A mágnesszalag elérhető nagy filmtekercs-szerű kiszerelésben, és szabvány audiokazetta méretben is. Utóbbi volt az elterjedtebb, például nagy népszerűségnek örvendett a Commodore 64 számítógép mágnesszalag kazetta olvasója.

A szabvány audiokazettába zárt mágnesszalag nem csak számítógépbe, hanem rádiómagnóba is belerakható. (Segítségével rögzíthetünk rádióműsorokat.) A 70-es években voltak a magyar rádióban ”program adások”, aminek során egy számítógépes program bináris futtatható állományának tartalmát sugározták hanghullám formájában. Ha ezt a műsort rögzítettük a kazettára, akkor elmenthettük saját magunknak a programot és a számítógépünk, például egy C64-be rakva futtathattuk azt. Ilyen érdekes módon működött az internet előtt a ”vezeték nélküli adatcsere”.

Hajlékonylemez

Az első hajlékonylemezek tényleg hajlékonyak voltak. A hajlékonylemez, angolul floppy disk drive (FDD) műanyag kör alakú lemezen tárolja az adatokat, és mindez egy négyzet alakú tokban van ami megóvja az adathordozó felületet a külső fizikai behatásoktól és a portól. Az 1960-as években kezdték el fejleszteni, a 70-es években már nagyon népszerű volt és népszerűségét a 2000-es évek elejéig őrizte, mivel nem volt más olcsó és gyors adathordozási technológia amit lehetett volna alternatívaként használni (a pendrive megjelenéséig) és nem is volt szükség nagyobb adathordozóra a felhasználó által előállított csekély mennyiségű adat tárolásához.

Létezik 8” inches (ehhez tartozó olvasó külön periféria volt, nem számítógépbe építhető hardverelem) 5 ¼ inches és 3 ½ inches változat is.

Floppy lemezek jellemzői:

Oldalak száma

• SS – Single Sided – egy oldalas
• DS – Double Sided – két oldalas

Adatsűrűség

Az idő előrehaladtával a floppylemezek gyártási technológiája egyre fejlődött. Ez az adatsűrűség növelését és a lemez fizikai méretének csökkenését vonta maga után.

• SD – Single Density – egyszeres adatsűrűség
• DD – Double Density – kétszeres adatsűrűség (720 kbyte – 80-as évek vége, 90s eleje)
• HD – High Density – nagy adatsűrűség (1,44 mb, a legelterjedtebb változat)
• ED – Extended Density – kiterjesztett adatsűrűség

A floppy lemez használatának előnye, hogy könnyen cserélhető. A 80-as években külön floppy lemezen volt megtalálható a számítógéphez szükséges operációs rendszer és a többi felhasználói program is. A számítógép használata úgy történt, hogy előbb bootolt a gép a rendszer floppyról, amit a betöltés után (az oprendszer a memóriába került) eltávolítottak a meghajtóból és berakták a felhasználói programokat tartalmazó lemezt és onnét futtatták amit akartak.

A CD megjelenése előtt nagyon nagy adatsűrűségű floppy lemezek is megjelentek a piacon. 120 mb adatot lehetett tárolni a SuperDisk floppyval, és 750 mb adatot a ZipDrive-val, ami nem csak a nagy adatsűrűség segítségével tette lehetővé a temérdek mennyiségű adat tárolását, hanem a zip tömörítési technológiát is alkalmazta a tárolás során.

A hajlékonylemez belső korongjának felületén vas oxid található ezért nem szabad mágneses térbe helyezni, mert az megrongálja a rajta található adatokat.

A legkisebb 3 ½ -es floppy-n írásvédettséget szabályozó kapcsoló található, ami zárt állapotban engedi az írást, nyitott állapotban nem – az 5 ¼ -es méretű lemez oldalán egy vágás szabályozza ugyanezt a funkciót. Ezt ragasztószalaggal kellett írásvédetté tenni, be kellett foltozni a vágást.

A hajlékonylemezek tokjában található egy porgyűjtő szivacsréteg is.

Optikai lemezek

CD

A CD-t a Sony és a Phillips közösen fejlesztette ki 1981-ben audio anyag minőségi tárolásához. A CD lemez adattárolási szabványait később fektették le a számítástechnikában ”sárga könyv” (The yellow book) névvel illetett írásban, aminek később újabb és újabb változatai jelentek meg az optikai adattárolás fejlődésével (vörös könyv, kék könyv…).

A CD (Compact Disk) egy 12 cm átmérőjű optikai lemez, ami 650-700 mb adatot és 74-80 perc audioanyagot tud tárolni. A lemez közepén egy 1,2 cm átmérőjű lyuk található amibe a lemez forgatásához szükséges motor passzol bele. Anyaga műanyag (polikarbonát), fényvisszaverő adatréteggel és az védőréteggel ellátva.

A lemezre az adatok írása és a lemezről az adatok olvasása lézerfénnyel történik. A lézer íráskor mélyedéseket éget az adatrétegbe. A mélyedések megfelelő sorrendje adatot reprezentál. Kiolvasás is lézerfénnyel történik. Az adatrétegben vagy mélyedésből (pit) vagy kiemelkedésből (bump) verődik vissza a lézerfény, ezáltal különböző hosszúságú utat jár be. Mivel a lézerfény ugyanazon az úton halad visszafele, mint amelyik úton odafele ment, ezért ”önmagával találkozik”.

Ha a lézerfény egy mélyedésből verődött vissza, akkor hosszabb utat tett meg a polikarbonát rétegben ami megváltoztatta a lézerfény hullámhosszát. Ha a kiemelkedésről verődött vissza, akkor a rövidebb út miatt kevésbé változott meg a hullámhossza. Az úthosszak úgy vannak beállítva, hogy a megváltozott hullámhosszú visszaverődő fény, ha mélyedésből verődik vissza és önmagával találkozik, akkor az interferencia fizikai jelenség miatt a kioltódjon.

Ha a visszaverődő fény kiemelkedésből verődik vissza és önmagával találkozik, akkor ezen esetben kevésbé változik meg a hullámhossza a ”rövidebb utazás miatt”, nem interferál önmagával, nem oltódik ki a fény. Azaz lényegében a felületről visszaverődő lézerfény amit egy fényérzékelő érzékel villódzik.

Az interferencia jelenségét egy hétköznapi életből vett példával lehet a legkönnyebben megérteni: Ha egy tóba egyszerre beledobunk két kavicsot, akkor mind a kettő hullámokat kelt. Ezek a hullámok távolodnak a kavics bedobási helyétől és egyszer csak találkoznak. Ha úgy találkoznak, hogy az egyik hullám hullámvölgyben van, a másik hullámhegyben, akkor a találkozás során kioltják egymást (eltűnik a két hullám) (feltéve, hogy a hullámvölgy mélysége megegyezik a hullámhegy magasságával). Ha ezen magasságok eltérnek, akkor nem kioltás, hanem erősítés vagy gyengítés zajlik le, de az adott hullám nem tűnik el teljesen.

A tóban furcsa hullámábrák jönnek létre, egyes hullámok eltűnnek egyesek nem. Ugyanez a jelenség játszódik le a CD felületéről visszavert lézerfénynél is. A találkozó fénysugarak (a fény hullámtermészete miatt) vagy kioltják egymást vagy nem.

A lézerfény a CD felületéről visszaverődve egy fényérzékelőhöz jut ami lényegében villogást érzékel, a kioltások miatt – így tudja detektálni, hogy a CD felületén mélyedés vagy kiemelkedés van azaz 0-ás vagy 1-es bit lett oda égetve.

Az optikai lemezek felületén az adat spirál alakban van felírva:

A lemezek az adatokon kívül tartalmaznak két speciális részt:

• Lead in: Leírja a lemez típusát (audio lemez, adatlemet, video lemez...), azonosítja a lemezt. Audio CD esetén ezen a részen található meg TOC (Table of Contents), ami egy tartalomjegyzék a lemezen található zeneszámokról (maximum 99 darab adatrekord fér ide). Ezért adódik az a lehetőség az audio lejátszó készülékeken, hogy gyorsan tudunk a következő zeneszámra ugrani, mert csak a tartalomjegyzékből kiolvasott időhöz kell a lézert igazítani, nem kell végigpásztázni a teljes lemez felületet és következő szám kezdését megkeresni. (Olyan ez, mint a HDD-nél a FAT tábla.)

• Lead out: Levezető rész. Audio CD esetén nem tartalmaz adatot, innét tudja a lejátszó, hogy vége a CD-nek. Adat CD esetén ez a túlírási zóna.

A CD lemezek írása és olvasása történhet szabvány 1x-es sebességgel (150 kB / sec) és nagy 52x-ös (7800 kb / sec) sebességgel. Utóbbi nagy pontosságú kalibrációt igényel, sokak szerint az arany középút (24x-es sebesség) a megfelelő egy hibamentes és gyors CD íráshoz.

• CD-ROM – Nem írható, gyárilag nyomott CD
• CD-R – Egyszer írható
• CD-RW - Újraírható

Az újraírható CD-k adathordozó rétege olvasztható kristályos anyag. Ha újra akarjuk írni a CD-t, akkor megolvasztjuk a kristályos anyagot, ami ekkor elfolyósodik. Lehűlés közben a kristályosodás újra beáll, akár új felületet képezve, ezáltal egy másik adatot írtunk fel a lemezre. Nem lehet korlátlanszor új adatot ráírni a lemezre, mert a kristályos anyag elrevül.

A CD lézere 2-es veszélyességi osztályú. 4 darab lézer veszélyességi szint létezik (Class1- Class4). A Class 1-es lézerek az egyszerű boltban kapható lézer pointerek osztálya, a Class4-be tartozó lézerek a fémet is vágják. Egy lézert nem lehet egyértelműen osztályba sorolni, mert nagyban függ a lézer mellé adott optikától a veszélyesség – optika segítségével lehet a léterfényt fókuszálni.

Érdekes videó az optikai meghajtókban található lézer erősségéről: A videóban megtudjuk hogyan lehet kiszedni a lézert, és hogy mikre képes: Léggömb pukkasztásra és dolgok távolról történő meggyújtására.

A CD mellett a piacon elérhetőek más adatmennyiséget tároló korong alakú adathordozók, amik hasonló elveken működnek, mint a CD.

DVD

A DVD (Digital Versatile Disk - ”digitális sokoldalú lemez”) 1995-ben kifejlesztett, először videó tárolására használt, 4,7 gigabyte (5 gibibyte) adat tárolására alkalmas optikai lemez. Gyakran összekeverik a CD-vel, és tényleg hasonló technológiával tárolja az adatokat, de más adatsűrűséggel, más fájlrendszerben, és más lézer is kell az olvasáshoz. A legfőbb ok a DVD kifejlesztésére, hogy hosszú, jó minőségű filmet lehessen eltárolni.

Az DVD lemezek általános tulajdonságai:

oldalak száma

• egyoldalas ↔ kétoldalas
• Ezeket a lemezeket a meghajtóban meg kell fordítani, ha a másik oldal adatait szeretnénk elérni.

rétegek száma

• egyrétegű ↔ többrétegű
• A többrétegű lemezeket különböző lézer-fókusszal lehet olvasni, ami egy felsőbb vagy a alsóbb rétegen összpontosul. (lásd: ábra)

írhatóság

újraírható ↔ csak egyszer írható

technológia

• pluszos + ↔ mínuszos -

A különböző technológiákat lehet kombinálni is. Alább olvashatók a hivatalos megnevezések:

• DVD-ROM – Nem írható gyárilag nyomott DVD

• DVD-R, DVD+R – Egyszer írható DVD típusok

• DVD-RW, DVD+RW – Többször írható típusok

• DVD-RAM - Ez egy újraírható DVD típus, aminek írása nem a megszokott módon történik (belső sávból a külső sáv fele haladva), hanem bárhol el lehet kezdeni az írást / újraírást, azaz véletlen elérésű (random access – RAM) technológiával büszkélkedhet.

A pluszos és mínuszos DVD-k közötti különbség, hogy az olvasó milyen lézer pozicionálási technológiát használ. A különbség azért alakult ki, mert a DVD gyártását több cég is megkezdte akkor, amikor még nem voltak pontosan definiált szabványok, nem volt megmondva mely technológiát kell használniuk a gyártóknak. A mínuszos a régebbi technológia, amit 1997-ben fejlesztettek ki, a pluszos az újabb, 2002-es.

A lézerfényt nagy pontossággal kell pozicionálni, és az adatokat mindig azonos távolságra kell égetni a lemez felületére A DVD-k felületén található egy szinuszos hullám szaknyelven: wobble amit leolvasva az eszköz meg tudja határozni az aktuális forgási sebességet az alapján, hogy milyen gyorsan következnek a szinusz periódusok. Meg kell határozni ezen kívül a pontos pozíciót is, hogy a lemez felületén éppen hol vagyunk:

• A mínuszos DVD-k felületén apró lyukak is találhatók a wobble mellett, amit gyártáskor hoztak létre és ezek kódolják a pozíció információkat. Ezt nevezik LPP-nek, (Land Pre Pit) ami arra utal, hogy az aktuális pozíció címe az előzetes lyukacsozásban van kódolva.

• A pluszos DVD-ken, amit később fejlesztettek ki, a címinformációkat már az aktuális sebesség leolvasására is használt wobble, a hullámos sáv kódolja (úgy, hogy a szinusz jel fázisát néha megváltoztatják). Ez az ADIP technológia (ADdress In Pregroove)

A régebbi mínuszos DVD-k felülete: Rajta van a wobbe, és a pre-pit is. A pluszos DVD-ken már csak wobble van.

A DVD lemezeket legtöbbször filmek tárolására használják. MPEG-2 kódolású 720x576 felbontású DVDfilmek kerülhetnek rá, emellett több hangsáv és feliratsáv, és akár menü is, amiben fejezetekre lehet ugrani. A menü nem más, mint egy videofájl, a menüben való lépegetés pedig a videofájl különböző pontjaira való ugratás. A menü formátumában nem különbözik a filmtől.

A DVD lemezek fájlrendszere:

• VIDEO_TS – videofájlok, video extrák és feliratsávok
• AUDIO_TS – audiosávok
• JACKET_P – dvd borító képe

A DVD lemezek tartalmazhatnak régiókódokat, ami arra szolgál, hogy egy adott régiókódú lemezt csak a világ egy adott részén lehessen lejátszani. Ez a védelmi mechanizmus a DVD gyártás fellendítése érdekében került belefoglalásra a DVD szabványba, de manapság már egyik lejátszó sem veszi figyelembe a régiókódot, és lejátssza azt is, ami amúgy a saját régiójában tiltott lenne.

DVD és CD lemezekről készíthető úgynevezett ISO képfájl, ami a korong felületének pontos másolata. Ez egy egyszerű .iso kiterjesztésű fájl, az illegális internetes adatcserében gyakran használatos, mert ez nem fizikai korong, hanem egy virtuális fájl, amit fel lehet csatolni az operációs rendszerünkben bizonyos programokkal (Daemon Tools, Alcholol 52%), létrehozva egy virtuális meghajtót ahol ismét elérhetjük a korong tartalmát.

A lemezekre alkalmazhatnak különböző másolásvédelmi technológiákat is, hogy meggátolják az illegális, szerzői jogba ütköző másolatok létrehozását:

• Gyárilag fizikailag hibás felület

  • Fizikai hibát ejtenek az optikai lemez felületén
  • A másolóprogram nem tudja olvasni ezt a területet, és a másodpéldányon kinullázza ezt a területet.
  • A két példány különbözik egymástól – az egyik felülete olvashatatlan, a másik felülete olvasható.

• Túlírási sávba írt adatok

  • Ha a lead outba írunk extra információkat, akkor azt az íróprogramok nem másolják át (nem mindegyik, ezért nem 100%-os a módszer).

• Gyárilag logikailag hibás felület = Iker szektorok létrehozása

  • Ezen módszer is hibát eredményez, de nem fizikai hibát: Gyárilag ugyanolyan sorszámmal látnak el két egymás melletti szektort.
  • A másolóprogram javítani fogja a hibát, a sorszámozást kijavítja
  • A másodpéldány nem ugyanolyan, mint az eredeti – detektálható a másolás ténye.