Informatika pro kombinované lyceum/Vývoj technologie ukládání informace

Tato cvičná stránka je součástí projektu:
Informatika pro kombinované lyceum
střední škola
Příslušnost: skupinová

Vývoj trvalé počítačové paměti

Trvalá počítačová paměť (tzv. vnější paměť) je paměť uchovávající informace, které se po vypnutí počítače neztrácí. Daná kapitola se bude zabývat vývojem technologie této paměti.

Historie děrného štítku

Nejstarším způsobem záznamu informací do počítače jsou tzv. „děrné štítky “. Ty poprvé použil v roce 1725 francouzský tkadlec Basile Bouchon pro řízení funkcí tkalcovského stroje – vložením karty se určil vzor, kterým stroj tkal. O tři roky později tento způsob zápisu vylepšil Bouchonův asistent Jean-Baptiste Falcon spojením jednotlivých karet, což umožnilo měnit funkce jednoho stroje. Také začal dělat záznamy v řadách, takže se jich na štítek vešlo víc. V 19. století vznikla technologie zápisu, kterou bylo možno zpět strojově číst. Tak mohly být děrné štítky využívány např. k vyhodnocování statistik – poprvé byly hromadně využity v USA v roce 1890 ke sčítání obyvatel a významně zkrátily dobu sčítání (z původních osmi let na jeden rok.) Děrné štítky byly použity i k záznamu informací ve vůbec prvním programovatelném počítači Z1 od Konrada Zuse. Ještě ve 20. století bývaly děrné štítky využívány při programování kalkulaček a pro různé výpočty. Od konce 20. století se již používají jiné technologie.

Jak funguje děrný štítek

Děrný štítek je vyroben z tenkého kartonu obdélníkového tvaru. Informace se do něj ukládají vyraženou dírkou na určité pozici. Co řádek to jedna informace, běžný děrný štítek měl 80 řádků. Po vyražení dírek se jednotlivé štítky vkládali v pevném pořadí do čtečky příslušných přístrojů (např. sálový počítač EC1023), které z nich kód přečetly a vykonaly požadovanou funkci. Děrný štítek sloužil např. jako zdrojový kód programu (zadával počítači, co má dělat.)

Zde si můžete přečíst něco více o historii a používání děrných štítků

Zde se dozvíte něco o děrných štítcích a jejich roli v historii

Historie děrné pásky

Poprvé byla použita v roce 1846 při posílání telegramů. Byla vylepšenou verzí děrných štítků – dala se na ni zapisovat libovolně dlouhá informace (záleželo jen na tom, jak dlouhá byla páska). To u děrných štítků nešlo, protože ty měly omezenou velikost – složitý program tedy zabral spoustu děrných štítků, které se navíc mohly pomíchat. Na děrnou pásku se dalo rychleji zapisovat a také z ní byly rychleji čteny informace. Její nevýhodou bylo, že se nedala přepsat, a pokud se tedy programátor spletl, musel začít celý proces děrování od začátku (popřípadě se dalo chybné místo přelepit, což ale bylo složité).

Jak funguje děrná páska

Děrná páska byla většinou z papíru, ale v případech, kdy bylo nutné, aby se tolik neopotřebovávala a nepodléhala vlivu okolí, mohla být také vyrobena z kovu. Fungovala na stejném principu jako děrné štítky, tvořilo ji vlastně spoustu štítků spojených dohromady (mohla mít délku až jednoho kilometru).

Takhle vypadala děrná páska a její čtení

Historie magnetické pásky

Papírová páska měla stále mnoho nevýhod, mezi nimi hlavně tu, že se dala velmi snadno poškodit (také se rychle opotřebovávala) a nedala se přepisovat. Tento problém vyřešila magnetická páska – ta se dala smazat a následně přepsat. Měla i větší kapacitu záznamu. Zase se ale dala zničit působením jiného magnetu, než byl ten při nahrávání informace (např. spoustu pouzder má magnetické zavírání...). Záznamem informace pomocí magnetu se jako jeden z prvních zabýval od roku 1878 Američan Oberlin Smith. Ten v roce 1888 publikoval práci, v níž uváděl svůj nápad na přístroj, který zaznamenává zvuk na ocelový drát. Nápad však nedokázal zrealizovat. Se stejnou myšlenkou přišel Valdemar Poulsen, který si v roce 1898 patentoval tzv. telegrafon, přístroj, který využíval magnetický záznam k nahrávání zvuku. Telegrafon fungoval na principu ocelového drátu natočeném na kovovém válci, který byl zmagnetizován a pak po něm přejíždělo čtecí zařízení a přehrávalo záznam. Telegrafon byl původně určen k záznamu lidkého hlasu. V roce 1900 jím dokonce Poulsen nahrál hlas Františka Josefa I., tato nahrávka je dnes považována za nejstarší dochovanou z historie magnetického nahrávání zvuku. Ocelový drát byl později nahrazen kovovou páskou a následně plastovou páskou pokrytou zmagnetizovatelnou železnou rudou. Valdemar Poulsen představil také magnetofon (v roce 1899), který byl určen k nahrávání zvuků a používán v 50. – 60. letech. V jeho verzi magnetofonu byl použit zmagnetizovatelný drát, který byl později nahrazen magnetickou páskou.

Magnetická páska, která nahradila magnetický drát, byla patentována německým inženýrem Fritzem Pfleumerem v roce 1928. V počítačové technice bylo magnetického záznamu dat poprvé využito v roce 1951 a používal se hlavně v 50. a 60. letech. Magnetické pásky byly nejdřív navinuté na cívce a jejich obsluha byla poměrně složitá (komplikovaně se vkládala do čtecího zařízení), proto byla později ukládána do kazet. Největší nevýhodou magnetické pásky byl složitý přístup k informacím nahraným na pásce daleko od sebe – pokud jste se chtěli dostat k zápisu na konci pásky, museli jste celou pásku přemotat, a to trvalo dlouho a mohli jste se v záznamu ztratit. Magnetické pásky jsou však používány dodnes, a to díky jejich dlouhé trvanlivosti, která předčí i dnešní záznamová média.

Jak funguje magnetická páska

Magnetické pásky byly vyrobené z plastu, na kterém byla nanesená magnetická vrstva. Na ni byla ve stopách nahrána data, která se zapisovala průtokem elektrického proudu páskou. Průtok proudu při zápisu zapříčinila její zmagnetizování a zorientování magnetického pole. Při čtení pak zase změny magnetického pole způsobily změnu proudu.

Magnetická bubnová paměť

V roce 1932 byla v Rakousku vyvinuta bubnová magnetická paměť. Ta byla používána u prvních počítačů v 50. letech 20. století. Buben, na který se data zaznamenávala, byl válec pokrytý magnetickou vrstvou. Ten se při čtení a při zápisu otáčel, a čtecí a zápisové hlavy se tak mohly dostat na každé místo. Hlavy se nemohly posouvat, proto každou stopu na bubnu četla jiná hlava.

Zde se dozvíte něco více o magnetické paměti

Historie magnetického disku

Magnetický disk neboli disketa se vyvinul z magnetické pásky, první předchůdce disket byl představen v roce 1957. Jednalo se o obrovský přístroj o váze jedné tuny, v němž bylo až padesát disků o průměru kolem 60 cm. První disketu typického vzhledu představila v roce 1967 společnost IBM. Disketa měla ze začátku průměr 200 mm, postupem času se její průměr zmenšoval až na 89 mm. Disketu tvořil plastový čtvercový obal, uvnitř nějž byl plochý plastový kotouč pokrytý magnetickou vrstvou (tzv. vnitřní nosič- na něj se ukládaly informace. Mezi ním a obalem byla ještě výstelka, která ho chránila před poškozením.) Výhodou diskety bylo, že se při čtení a při zápisu otáčela, díky tomu jste se mohli dostat téměř ihned na kterékoli místo v záznamu. Stejně jako magnetická páska se dala přepisovat (přepisovatelná disketa byla vyvinutá v roce 1972), avšak diskety byly stále celkem pomalé a moc se toho na ně nevešlo. Používaly se hlavně v 80. a 90. letech 20. století, poté byly nahrazeny jinými paměťovými médii a dnes se již používají se jen velmi zřídka.

Takto vypadal první předchůdce disket

Jak funguje magnetický disk

Data se na disketu zapisovala v kružnicích a byla čtena hlavičkami, které se mohly po povrchu diskety různě posouvat. Při zápisu a čtení se disketa vždy otáčela a hlavička se diskety přímo dotýkala.

Zde si můžete prohlédnout fotografie děrných štítků, pásek, magnetických pásek a disket

Pevný disk

Pevný disk neboli hard disk se dnes užívá v počítačích pro dlouhodobé uchování paměti (tj. uchovává data, která se po vypnutí počítače nevymažou, jsou to data, se kterými počítač třeba zrovna nepracuje, ale v případě potřeby si je může z hard disku načíst – stažené soubory, nainstalované programy...) Vyvinul se z magnetických pásek a bubnové paměti, má větší hustotu zápisu. Protože je hodně náchylný na poškození, je vzduchotěsně uzavřen, a tak se do něj nedostane ani zrnko prachu. Hard disk je velmi přesný a vzdálenost mezi kotoučem s daty a čtecí hlavičkou je jen několik mikrometrů, proto by ho mohl i prach poškodit. Pokud se ale s hard diskem manipuluje opatrně (vyhýbáme se prudkým otřesům, nezapínáme/nevypínáme počítač příliš často, protože to je jediný moment, kdy se hlavička dotkne kotouče s daty...), může vydržet i několik let.

Jak funguje pevný disk

Pevný disk se skládá z několika rotujících kotoučů nad sebou, na kterých je magneticky zapsaná informace. Je psaná ve stopách a sektorech, stejně jako u disket. Po obou stranách kotoučů jsou hlavičky, kterými se na disk píší a čtou informace. Hlavičky jsou situované jen maličký kousíček nad kotouči, při čtení a zápisu dat se ho nedotýkají, což zajišťuje diskům delší životnost.

Optický disk

Optický disk je disk, na kterém je informace uložena a čtena laserovým paprskem. První byl vynalezen v roce 1958. Je to plochý disk nejčastěji o průměru zhruba 12 cm. Nejznámější je CD a DVD, ale existují i jiné. Rozdíl mezi CD a DVD je ten, že na DVD se vejde více dat. Na optické disky se nahrává hudba, videa, programy a jiné soubory... Existují optické disky jen na čtení, ale i přepisovatelné.

Jak fungují optické disky

Informace je na optickém disku uloženy prohlubněmi a výstupky, které jsou zapsány ve spirále, rozdělené na sektory, stejně jako kružnice u disket a hard disku. Data se mohou vypálit laserem nebo vylisovat lisovacím strojem. Jsou čtena laserem, který při čtení dopadá na reflexivní vrstvu disku. Pokud dopadne na vystouplou část, paprsek se odrazí do čtecího zařízení a je převeden na elektrický signál. Pokud dopadne do prohlubně, neodrazí se a čtecí zařízení nic nezaznamená. Takto se se při čtení rozlišují jedničky a nuly.

Zde se dozvíte více o pevných a optických discích

Vývoj dočasné (operační) paměti

Operační paměť neboli vnitřní paměť počítače je paměť, která dočasně uchovává data, se kterými počítač právě pracuje, po vypnutí počítače se zase smaže. Používá se proto, že je rychlejší než trvalá paměť. Počítač si do ní proto načte data, se kterými zrovna pracujeme (př. zdrojový kód nějakého programu) a ta pak používá, je to výhodnější, než kdyby je načítal z pomalejší vnější paměti. Zpočátku se používaly paměti složené z klopných obvodů z elektromagnetických relé. S nimi ale mohly počítače provádět jen jednoduché výpočty. Na ně navázaly složitější obvody z elektronek a pozdější z tranzistorů, které se používají dodnes.

Rtuťová zpožďovací linka

Vznikla na začátku 40. let minulého století, měla větší kapacitu než paměti z klopných obvodů. Používala se v prvních počítačích.

Jak funguje rtuťová zpožďovací linka

Rtuťová nebo akustická zpožďovací linka byla tvořená skleněnou trubicí naplněnou rtutí. Na jejích koncích byl pizoelektrický krystal, který měnil elektrické impulsy v mechanické, ty se přenesly rtutí na druhý konec a zase byly proměněny v elektrický impuls.

Williamsova trubice

Byla alternativou rtuťové zpožďovací linky. Stavěla na základě katodové trubice, která se používala v obrazovkách. Zkonstruovali ji v roce 1946 Frederic Williams a Tom Kilburn. Byla používána hlavně v letech 1948 − 1955. Trubicová paměť byla poměrně nespolehlivá a citlivá vůči vnějšímu elektrickému rušení.

Jak funguje Williamsova trubice

Williamsovu trubici tvořila skleněná trubice, na jejímž konci byla obrazovka. Na tu se proudem elektronů zapisovaly tečkami informace, elektrony způsobily změnu elektrického pole na povrchu obrazovky. Podle typu náboje se pak rozlišovaly jednotlivé bity – jedničky a nuly. Na obrazovce byla paměť přímo vidět, snímána byla z vnější strany. Informace bylo nutné pořád obnovovat.

Feritová paměť

Byla vyvinuta na konci 40. let, používala se hlavně do konce 60. let. Nebyla závislá na přísunu elektrické energie, a tak zůstala data zachována i po vypnutí počítače. V některých přístrojích zůstala zachována dodnes.

Jak funguje feritová paměť

Tvoří ji spousty feritových kroužků – jadérek, které jsou protkané vodiči. Jeden feritový kroužek představuje jeden bit. Vodiče tvořili jakousi mřížku, na každém překřížení vodičů byl navlečen právě jeden kroužek – každým kroužkem tedy procházely dva vodiče a ještě jeden čtecí. Zápis se prováděl tím, že dvěma křížícími se vodiči byl do kroužku přiveden proud a podle směru toku proudu se změnil stav kroužku na jedničku nebo nulu. Při čtení se do kroužku znovu přivedl elektrický proud a podle indukovaného elektrického napětí (při změně magnetického pole vznikne elektrické napětí = indukovaný elektrický proud) se odečetla informace.

Takto vypadala feritová paměť

Paměť RAM

Vyvinula se z Williamsovy trubice, používá se dnes jako operační paměť počítače. Její název je zkratka pro anglické random-access memory, což znamená "paměť s náhodným přístupem", což ale není úplně přesné (neznamená to, že dané informace jsou čtené náhodně, ale že si můžeme rychle přečíst jakoukoli informaci .) Po vypnutí počítače se většina dat smaže. Dělí se na tzv. statickou (SRAM) a dynamickou (DRAM) operační paměť. SRAM je rychlejší než DRAM a nemusí se v ní informace stále obnovovat, proto má menší spotřebu.

Jak funguje paměť RAM

Paměť RAM se skládá z polovodičů, do kterých vedou adresové linky (linky vodivého materiálu), které některé polovodiče uzavírají a jiné spínají. Do sepnutých polovodičů jsou poté vyslány další signály, každý signál představuje jeden bit. Poté, co signály projdou sepnutými polovodiči, nabijí kondenzátory. Nabitý kondenzátor představuje 1 a nenabitý 0.

Flash paměť

Přenosná paměť, která není závislá na přísunu elektřiny. Používá se k přenosu dat v podobě paměťové karty nebo USB flash disku.

Jak funguje flash paměť

Flash paměť se zapisuje elektricky do tranzistorů uvnitř média. Vnitřek je dělený na buňky, v každé buňce se nachází dva tranzistory. Mezi nimi se nachází vrstvička oxidu křemíku. Pokud je oxid vodivý, je buňka ve stavu 1, pokud nevodivý, tak ve stavu 0. Vodivost oxidu křemíku můžeme měnit elektrickým nábojem.

Odkazy

Zdroje a stránky doplňující předchozí text: