Datalagring

En datamaskin vil alltid ha behov for å lagre data, enten midlertidig eller permanent. Siden en datamaskin arbeider i totallsystemet, gjør den vanligvis dette ved å la 'tilstedeværelse' bety 1, og 'ikke tilstedeværelse' bety 0, slik som beskrevet i kapitlet om tallsystemer. Det kan være tilstedeværelse av en elektrisk ladning, magnetisme, hull i ei papplate, mikroskopiske merker i en optisk disk, etc.

Et lagringsmedium er enten volatilt (flyktig) eller ikke-volatilt. Et volatilt medium mister sin informasjon når kraftforsyningen (strømmen) forsvinner, mens et ikke-volatilt beholder den.

Mekaniske media

De første datamaskinene som ble bygget, var rent mekaniske, og baserte datalageret på posisjonen til tannhjul, stag eller pinner. Også hullkortet var opprinnelig en rent mekanisk innretning, der følere registrerte hvor det var stanset hull i ei papplate. Senere ble følerne erstattet med optiske lesere, og hullkort var i bruk helt opp til 1980-årene. Men mekaniske media er ikke lenger i bruk.

Hullkort
Hullkort med del av et Fortran-program

Mekaniske media er ikke-volatile.

Magnetiske media

Magnetiske media baserer seg på materiale som kan magnetiseres. Styrken eller retningen på magnetfeltet i et gitt punkt avgjør om punktet representerer 0 eller 1.

Magnetiske media er ikke-volatile.

Kjerneminne

Kjerneminne består av en matrise med små magnetiserbare ringer. Kjerneminne er for lengst historie, og i moderne datamaskiner erstattet av elektroniske komponenter. Det er allikevel verdt å nevne fordi det engelske navnet, 'core memory', av og til dukker opp som betegnelse på en maskins internminne.

Kjerneminne
Kjerneminne

Magnetbånd

På samme måte som magnetbånd kan benyttes til å spille inn lyd og bilde, kan det også brukes til å lagre data. Et magnetbånd er en lang plaststrimmel med et magnetiserbart belegg. Fra begynnelsen av femtitallet til ut på åttitallet var magnetbåndet en viktig lagringsenhet. I stormaskiner i form av store båndspoler, og i hjemmedatamaskiner i form av kassetter.

En klar ulempe med magnetbånd er at de er et sekvensielle. Hvis datamaskinen for eksempel befinner seg i begynnelsen av båndet og skal ha tak i noe på slutten, må den spole dit, noe som tar lang tid og gir mye slitasje. Harddisker har derfor overtatt det meste av båndet rolle.

Magnetbånd brukes imidlertid fremdeles til sikkerhetskopiering, der data leses og skrives sekvensielt. Men i stedet for store spoler brukes små, kompakte kassetter.

10,5 tommers båndspole
10,5 tommers båndspole
Stormaskin
CDC-6600 stormaskin fra 1970-årene med en rekke båndspoler
Kassetter
1/4 tommers kassetter til sikkerhetskopiering

Harddisker

En harddisk består av et antall plater som roterer med høy hastighet. Platene har et tynt, magnetiserbart belegg på begge sider, der dataene er lagret i konsentriske spor, som igjen er delt opp i sektorer, slik det er vist i skissen under. En sektor er den minste enheten som kan leses eller skrives til disken.

Prinsippskisse av harddisk
Prinsippskisse av en harddisk

Data hentes fra og lagres på platene ved hjelp av lese/skrivehoder. Disse hodene er ikke i berøring med platen, men svever på luftstrømmen mindre enn en hundre tusendels millimeter fra overflaten, noe som tilsvarer omlag en ti­tusendedel av tykkelsen på et menneskehår. Hodene kan bevege seg på tvers av platene, og derved nå all informasjon rimelig kjapt.

På grunn av at hodene beveger seg så nærme den magnetiske overflaten at de vil kollidere med noe så lite som en røykpartikkel, er lufta inne i en harddisk 100 % ren. På fabrikken monteres og forsegles harddiskene i absolutt støvfrie rom. Tar man lokket av en harddisk i et vanlig rom, er den ødelagt.

Harddisk
Harddisk med lokket fjernet

Magnetiske harddiskene ser nå ut til gradvis å forsvinne, og erstattes av det elektroniske lagringsmediet SSD.

Disketter

For å flytte data fra en maskin til en annen var disketter lenge enerådende. Ny programvare ble gjerne også levert på diskett. En diskett minnet i prinsippet om en harddisk, men besto bare av ei enkelt plate. Som det engelske navnet 'floppy disk' antyder, var den laget av tynn, bøyelig plast. Lese/skrivehodene ble klemt inn mot plata i stedet for å sveve over, og levetiden var derfor begrenset.

Tidlige disketter hadde en diameter på 8, senere 5 1/4 tommer, og den magnetiserbare skiva lå i noe som nærmest var en konvolutt av papp. Deretter kom 3 1/2 toms disketter med konvolutten erstattet av et hardt plasthylster.

Lagringskapasiteten på disketter utviklet seg imidlertid lite, og ble i mange år liggende på 1,44 MB. Den lave kapasiteten og dårlige driftssikkerheten gjorde at diskettens æra tok slutt, og PC-er leveres i 2011 vanligvis ikke med diskettstasjon. Dataoverføring mellom maskiner skjer med flash-minnepinner eller via nettet. Programvare leveres på CD eller DVD, eller lastes direkte ned fra nettet.

Diskett
Komponentene i en diskett:
1: Tagg for skrivebeskyttelse
2: Nav
3: Beskyttelseslokk
4: Plasteske
5: Papir
6: Magnetiserbar disk med spor og sektorer tegnet inn.
7: Eksempel på en sektor.

Elektroniske media

Elektroniske media lagrer informasjon ved hjelp av elektroniske komponenter og kretser.

Elektroniske media finnes i både volatile og ikke-volatile former.

RAM

Navnet RAM står egentlig for 'Random Access Memory', og henspiller på at skriving og lesing kan gjøres hvor som helst i mediet, i motsetning til for eksempel bånd som må skrives/leses i sekvens, og disker som må skrives/leses sektorvis. Det finnes imidlertid lagringsmedia som er 'Random Access', selv om de ikke har RAM i navnet, så begrepet er litt misvisende.

I dagligtale brukes begrepet RAM om en datamaskins internminne, slik det er beskrevet i kapitlet om PC-arkitektur.

RAM er volatilt, og finnes i to hovedtyper: Dynamisk, DRAM, og statisk, SRAM.

DRAM bruker ladningen i en kondensator til å representere 0 eller 1. Teknikken krever få komponenter pr. minnecelle (bit), noe som betyr at integrerte kretser med denne teknikken får høy kapasitet. Ulempen er at ladningen i en kondensator lekker ut, slik at den må oppfriskes med jevne mellomrom. Mens oppfriskning pågår kan data ikke leses eller skrives på brikken, noe som nedsetter hurtigheten. Det finnes et utall undervarianter av DRAM, blant annet den raskere, mye brukte SDRAM.

SRAM bruker ikke kondensatorer, men logiske porter til å representere 0 eller 1. I kapitlet om logiske porter, vises det hvordan dette kan gjøres. SRAM trenger ikke oppfriskes, og blir derved mer effektivt enn DRAM. Ulempen er at SRAM krever mange flere komponenter pr. minnecelle, og derfor blir dyrere.

NB! Selv om SRAM ikke trenger å oppfriskes, er det allikevel volatilt. All informasjon forsvinner når strømmen skrus av.

Bildet under viser RAM-brikker i forskjellig montasje. Lengst til venstre er en enkelt RAM-brikke i 'Dual In Line Package', DIP. Så følger et kretskort med RAM-brikker i 'Single In-line Pin Package', SIPP. Deretter to varianter av 'Single In-line Memory Module', SIMM. Så to varianter av 'Dual In-line Memory Module', DIMM, som er vanligst i moderne PC-er, og en 'Direct Rambus DRAM', RDRAM. Lengst til høyre vises en 'Small Outline DIMM', SO-DIMM. Denne varianten er vanlig i bærbare PC-er.

RAM
RAM-brikker i forskjellig montasje

ROM

ROM står for 'Read Only Memory', og er minne som er beregnet på i hovedsak å leses.

ROM er ikke-volatilt.

Data i ROM kan være skrevet inn én gang for alle på en fabrikk, men det finnes varianter som lar brukeren lagre data selv, én eller flere ganger:

I PROM, 'Programmable ROM', brenner brukeren inn sine data ved hjelp av en PROM-brenner. Den fungerer ved å brenne av små sikringstråder der en skal lagre 0, og ikke brenne trådene der en skal lagre 1. PROM kan bare brennes én gang.

I en EPROM, 'Erasable Programmable ROM', lagres data på en mindre drastisk måte enn i en PROM. Ved hjelp av floating gate transistorer representeres 1 og 0 ved hjelp av små, elektriske ladninger. Ladningene lekker svært langsomt ut, slik at en EPROM vil kunne beholde sitt innhold i ti – tjue år. I motsetning til PROM kan en EPROM programmeres flere ganger, men før den programmeres på nytt, må den tømmes for gammelt innhold. Dette gjøres ved å utsette brikken for ultrafiolett lys. En EPROM kan derfor kjennes igjen på at den har et vindu. Vinduet er imidlertid vanligvis dekket med en etikett for å unngå utilsiktet sletting.

EPROM
EPROM med blottlagt vindu

I EEPROM, 'Electronically Erasable Programmable' ROM kan innholdet slettes elektronisk. Sletting kan gjøres minnecelle for minnecelle, det er ikke nødvendig å slette alt på en gang, slik som i EPROM. Sletting av en minnecelle tar imidlertid lang tid, flere millisekunder.

Hver sletting av en ROM-brikke sliter på den, men moderne brikker tåler ti tusenvis av slettinger.

Flash

Flash er en variant av EEPROM, men innholdet trenger ikke slettes celle for celle, men kan nullstilles blokkvis – i en 'flash'. Det betyr at flash er raskt nok til å være et praktisk medium for både for lagring og lesing. Det er ikke-volatilt, slik at lagrede data vil bli liggende selv om strømmen koples fra.

Flash memorysticks, såkalte minnepinner er derfor blitt svært populære. De kan plugges inn og ut av datamaskinene, og har så godt som erstattet diskettene.

Lagringskapasiteten øker raskt, og det blir i 2013 lansert en memorystick med en kapasitet på 1 TB.

USB-flash i Swiss Army-modell USB-flash i sushi-modell
USB-flash i Lego-modell USB-flash i standard-modell
Diverse utgaver av flash minnepinner

SSD

Solid-state drive, SSD, er et elektronisk lagringsmedium som mer og mer erstatter valige harddisker. SSD inneholder ingen bevegelige deler, og er derfor mer robust og fullstendig stillegående. Lav vekt er også en fordel, spesielt i bærbare PC-er.

SSD er nesten utelukkende basert på flash.

Kapasiteten på SSD øker, det lanseres i 2013 SSD på 2 TB. De største diskene ligger imidlertid ganske høyt i pris, så tradisjonelle harddisker er fremdeles ikke helt utkonkurrert.

Optiske media

Optiske media er basert på refleksjon av lys. 1 og 0 representeres ved reflekterende eller ikke-reflekterende punkter i en roterende overflate.

Optiske media er ikke-volatile.

CD

CD står for 'Compact Disc', og er en plastskive med et sjikt reflekterende materiale. Data er organisert i spor og sektorer, mye på samme måte som på en diskett eller harddisk. En liten forskjell er imidlertid at mens en harddisk inneholder et antall konsentriske spor, består en CD av ett langt, spiralformet spor som leses innenfra og utover. Et lese/skrivehode kan bevege seg på tvers av plata, og derved nå all informasjon rimelig kjapt.

Vanlig lagringskapasitet på en CD er 650 eller 700 MB.

En CD leses av ved hjelp av en svak laserstråle. CD-plata roterer under strålen, og det måles punkt for punkt om strålen reflekteres eller ikke.

CD-ROM står for 'Compact Disc Read Only Memory', og betegner CD-er som leveres ferdig med innhold. På fabrikken har en brukt en kraftig laser til å brenne merker i det reflekterende materialet.

Nesten all programvare selges i dag på CD-ROM eller DVD-ROM. Tidligere bruktes disketter, men med den dårlige lagringskapasiteten ville dagens programmer krevd dusinvis, hundrevis eller kanskje tusenvis av disketter.

Til å spille av en CD-ROM brukes en CD-ROM spiller. Avlesningshastigheten for CD-ROM var i utgangspunktet den samme som for en musikk-CD, men økte snart. Det er imidlertid en grense for hvor raskt en CD tåler å spinne, så hastigheten har stabilisert seg på rundt 52 ganger, noe som betegnes med 52X. Lesehastigheten kan imidlertid økes ytterligere ved andre teknikker, f.eks. å benytte flere lasere.

CD-R står for 'Compact Disc Recordable', og betegner en CD brukerne kan lagre data på selv. En CD-R inneholder et sjikt lysfølsomt fargestoff som en CD-brenner bruker en laserstråle til å endre de reflekterende egenskapene til. Data brent til en CD-R er permanente, og kan ikke slettes igjen. Det er imidlertid ikke nødvendig å brenne hele CD-en på en gang.

En CD-brenner kan også brukes til å lese både CD-R og CD-ROM.

CD-R-plater
CD-R plater

CD-RW står for 'Compact Disc ReWritable', og kan i motsetning til en CD-R overskrives. CD-RW-plater er imidlertid betydelig dyrere enn CD-R-plater, og de kan være problematiske å spille av i vanlige CD-ROM spillere.

I 2013 leveres ikke CD-spillere/brennere med datamaskiner lenger, de er erstattet av DVD-spillere/brennere som hare mye høyere kapasitet.

DVD

DVD står for 'Digital Versatile Disc', tidligere 'Digital Video Disc'. DVD har tatt over for CD på grunn av den langt høyere lagringskapasiteten, 4,7 GB.

Det finnes DVD-R og DVD-RW på samme måte som det finnes CD-R og CD-RW.

Hastigheten til en DVD-spiller oppgis som 2X, 4X, etc. på samme måte som for en CD-ROM spiller. Dette henviser imidlertid til hastigheten i forhold til de første DVD-spillerne, og har ikke noe med hastigheten på en CD-ROM å gjøre.

En CD kan spilles av i en DVD-spiller, og en CD brennes i en DVD-brenner. Det motsatte er derimot ikke mulig.

DVD-teknologien er i rask utvikling. Med Blu-ray, en teknikk som bruker en blå laser, kan en lagre 128 GB på en tosidig disk, såkalt BDXL-format.

Blu-ray vant våren 2008 konkurransen med HD DVD om å bli fremtidens DVD-format.

Kilder

  • Per A. Holst: Datateknologiens utvikling. Tapir Akademisk forlag, Trondheim 2001
  • Jarle Aase, Clemet Thærie Bjorbæk: Maskinvare og operativsystemer. Fagbokforlaget 2004
  • Deborah Morley, Charles S. Parker: Understanding Computers: Today and Tomorrow. Thomson Course Technology 2006
  • Wikipedia
  • Bilder fra PBase
  • Bilder fra The PC Guide