数字存储技术发展历程及光存储技术原理

人类历史上有各种各样的信息存储形式，远古时代的陶器，商周时期的青铜器，汉朝的竹简，宋朝的书籍等等。进入现代社会信息的存储经历从物理存储到磁记录存储的转变，后来又从磁存储向数字化存储设备转变。

现代信息存储技术发展历程：唱片、磁带、CD、数字存储，如图4-1-4所示。现在U盘、移动硬盘、光盘是存储信息的基本形式。数字化存储保存信息不易失真，在反复的拷贝过程中没有信号质量损失，可以长久保存。下面是各种不同时期的存储器，它们是存储技术发展的印证。在大数据时代，数据量急剧增加，度量信息的单位也从原来的kB发展到TB，未来还会大量使用PB。

图4-1-4　现代信息存储设备

知识拓展

信息的度量单位间的换算关系

1 Byte=8 Bit　1 kB=1024Bytes　1MB=1024 kB　1GB=1024MB

1 TB=1024GB　1PB=1024 TB　1 EB=1024 PB 1 ZB=1024 EB

1 YB=1024 ZB　1DB=1024 YB　1NB=1024DB

（一）磁存储技术

磁存储是用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面做“载磁体”来存储信息。根据记录载体的外形，磁表面存储器有磁鼓、磁带、磁盘、磁卡等。图4-1-5是磁头的原理性示意图，磁头是实现读/写的关键元件。磁头由绕有线圈的高导磁材料构成，可以有一个磁头兼有读出或写入功能，也可以分别设置。在读出信号的过程中，运动的磁层使得磁头的线圈产生感应信号，就是把磁信号转化为电流信号，经过放大电路放大后推动扬声器发声。在写入信号的过程中，磁化电流按一定编码方法呈变化波形，脉冲代码以磁化电流形式加入磁头线圈，产生交变的磁场，使磁层中的磁性产生相应的磁化，从而把信号记录下来，如图4-1-6所示。

图4-1-5　磁盘读/写原理　(www.xing528.com)

图4-1-6　磁盘写入原理

（二）光存储技术

从磁存储技术发展到光存储技术是存储技术一次巨大的飞跃，让信息的存储能力和读写速度大幅提高。光存储技术包括读出和写入两个过程。在写入信息时，光存储技术是采用激光探头发出的激光照射介质，激光头在介质上烧出孔洞而导致介质的性质发生变化而将信息存储下来的。读出信息时，光存储技术是用激光头扫描介质，通过发出激光束和反射回来激光束的强弱识别出存储单元凸凹性质的变化，从而识别出“0”和“1”的数据流。在实际操作中，通常都是以二进制数据形式存储信息的，所以先要将信息转化为二进制数据，激光存储技术经历了CD、DVD、蓝光光盘。如图4-1-7所示，光盘由保护层、反射层、记录层、预留槽、聚碳酸酯底盘组成。如图4-1-8所示，在记录层平坦处发出的激光束被反射回来，接收器会接收到大量的发射光，把信号读为“0”，在“凹坑”处发出的激光束被散射，无法接收到发射回来的光或者接收到的光束微弱，把信号读为“1”。DVD光盘分为DVD-ROM（只读光盘）、DVD-R（可一次写型光盘）、DVD-RAW（可擦写型光盘）。

图4-1-7　光盘结构示意图　

图4-1-8　光盘数据读出原理示意图

表4-1-1　不同光盘参数比较表

（三）固态硬盘（Solid State Drives，SSD）

固态硬盘因其高速的读写速度深受人们的青睐，它是由固态电子存储芯片阵列制成的存储设备。机械硬盘因存储信息的不连续性特点，通常在读写时受到寻道时间、潜伏周期的关键因素影响，读写速度无法大幅提高。固态硬盘由PCB板、主控制器芯片和闪存芯片组成，有些固态硬盘还带有缓存部分。SSD最基本的单位就是闪存芯片（Nand Flash），这种非易失性内存芯片通过充电、放电的方式写入和擦除数据，速度相当快。固态硬盘保留与普通硬盘一样的接口规范、定义，在功能和使用方法上与以往的普通硬盘完全相同。因使用了存储芯片而使得读写速度大幅提升，它发热量小，零噪音，功耗低。固态硬盘轻便，易于携带，被广泛应用于道路监控、工业自动化控制、远程医疗、航空控制等领域。