数据存储(1)：从数据存储看人类文明-数据存储器发展历程

传统文本存储

泥版/钟鼎/甲骨/莎草纸/羊皮纸等文字存储

传统的考古学家和历史学家认为，楔形文字起源于美索不达米亚特殊的渔猎生活方式。这是较为通行的看法，西方的各种百科全书大都持这一观点。约在公元前3400年左右，楔形文字雏形产生，多为图像。到公元前 500 年左右， 这种文字甚至成了西亚大部分地区通用的商业交往媒介。楔形文字一直被使用到公元元年前后，使用情景如同现今的拉丁文。

有了文字后，人类有又了记录过往数据的能力。但是，都是靠手工存储。

这些历史，这里不做过多种赘述

造纸与活字印刷术

造纸术与应刷术是中国四大发明之一。

公元105年（西汉），蔡伦改进了造纸术，随后就是对造纸术的改进过程，唐朝利用竹子为原料制成的竹纸，标志着造纸技术取得了重大的突破。随后就是西方一些列的改进了。

公元1041年-1048年(北宋)，毕昇发明的泥活字。标志着活字印刷术的诞生。随后也是漫长的改进，传入欧洲400以后，

1440年到1445年之间，德国人约翰内斯·古腾堡的铅活字，凸版印刷技术——维克多·雨果称印刷术为世界上最大的发明。

在中世纪初期，书是财富的象征。如果谁家有一个图书室。那实在是太富有了，因为在当时书是人们用手工辛辛苦苦抄写出来的。僧侣和抄写员经常被雇来做这项工作，当然费用相当可观。印刷机的出现改变了这一切，并在文艺复兴时期加快了知识和文化的传播。

穿孔卡带纸存储

最早期的存储媒介——打孔纸卡

这个是最早的数据存储媒介了，在1725年由Basile Bouchon发明出来，用来保存印染布上的图案。但是关于它的第一个真正的专利权，IBM的创始人赫尔曼·霍尔瑞斯教授（Herman Hollerith）在1884年9月23日申请的，这个发明用了将近100年，一直用到了20世纪70年代中期。

他于1888年发明自动制表机——首个使用打孔卡技术的数据处理机器。自动制表机(打孔卡数据处理技术)用于1890年以及后续的美国人口普查，并获得巨大成功。

IBM的前身——计算制表计时公司（CRT-Computing-Tabulating-Recording Company）创办于1911年，从事量表、计时设备和制表机的生产。

1923年，CTR发明了首款电动打孔机，与手动打孔机相比，速度和精确度有了很大提升。1920年代末，IBM发明了一种80列打孔卡，称得上当时的“高密度存储设备”。“IBM打孔卡”成为业界标准。

老汤姆·沃森(Tom Watson Sr.)在1914年至1956年间主管公司业务，这位雄心勃勃的领军人在1924年将公司更名为“国际商用机器”，即日后闻名世界的IBM。

在软件领域，IBM亦有卓越贡献。它研发了FORTRAN、COBOL和SQL编程语言，发明了关系数据库和语音识别软件。

从1960年代到1980年代初，IBM在计算领域占据统治地位，但它的成功却引来了反垄断调查。1990年代初，外界干扰和盲目扩张导致IBM几近崩溃，不过如今依然是巨头。

上图是打孔纸卡的典型例子－－它制成于1972年，上面可以打90列孔。显然你可以看出，这张卡片上能存储的数据少的可怜，事实上几乎没有人真的用它来存数据。一般它是用来保存不同计算机的设置参数的。

打孔卡存储原理

有空的地方为1，无孔的地方为零。检测有无孔洞可以用光电，或者机械触点。

输入就是凿孔，用锥子，用打孔机都可以，我就用锥子改过纸带，用在线切割机床的控制上。

早期穿孔卡/纸带，读取器里面是一组弹簧固定的探针，首先把所有探针拉起，纸带移动，然后探针松开落下，如果有纸带无孔那么探针就会被挡住，对应的电路断开；否则探针可以穿过孔落下，电路通路。每个探针对应一个电位计，通路为1，断路为0。读取后，所有探针拉起，纸带前移，然后探针松开，循环。

容量比打孔纸卡大——穿孔纸带

Alexander Bain（传真机和电传电报机的发明人）在1846年最早使用了穿孔纸带。纸带上每一行代表一个字符，显然穿孔纸带的容量比打孔纸卡大多了。

从录音机看存储发展

声波振记器

1857年，法国发明家斯科特(Scott)发明了声波振记器，并于1857年3月25日取得专利。斯科特的声波振记器是最早的原始录音机，是留声机的鼻祖。它能将声音转录到一种可视媒介，但无法在录音后播放。刚开始时，这台声波记振仪是将录音转到一块玻璃板上。后来的一种版本用一张纸放在鼓面或滚筒上。另一种版本将一条代表声波的线拉到一卷纸上。这台声波记振仪是在实验室研究声学时发明的。它被用来测定一个音调的频率和研究声音及语言，直到发明留声机之后，人们它才得到普遍的了解，由声波记振仪记录下来的波形是一种只需一个重放装置来重现声音的声波记录。

留声机

1877年11月21日，美国发明家爱迪生宣布发明世界上第一台留声机——一可以将声波变换成金属针的震动，然后将波形刻录在圆筒形腊管的锡箔上。当针再一次沿着刻录的轨迹行进时，便可以重新发出留下的声音。从此录音技术使人类获得了记录、贮存、重放声音信息的手段。

1878年 爱迪生成立制造留声机的公司，生产商业性的锡箔唱筒。这是世界第一代声音载体和第一台商品留声机。

平面式留声机

1887年旅美德国人伯利纳(Emil·Berliner)获得了一项留声机的专利，研制成功了圆片形唱片(也称蝶形唱片)和平面式留声机。

1891年 伯利纳研制成功以虫胶为原料的唱片，发明了制作唱片的方法。

工作原理

先把声音的振动属性记录在唱片上，就是在唱片上划出一些弯弯曲曲的槽子（这里的“弯弯曲曲”就记录了音源的属性），我们在放音的时候，就把唱针放入槽中，当唱片转动的时候，唱片上的槽子就会迫使唱针振动起来，这样就有了声音。

还原声音的关键设备是拾音器，它有一根针，在密纹唱片的轨道上相对滑行（拾音器本身只作轴向运动，唱片在唱盘上匀角速旋转），将轨道上凹凸不平的坑所产生的振动转化为电信号，然后再通过一系列解调、放大最终到喇叭单元，驱动喇叭产生声音信号。

磁性录音机

1898年，丹麦科学家浦耳生(V.Poulsen）利用剩磁原理发明了磁性录音机(钢丝录音机)。即铁可以磁化和消磁，但消磁后仍会残留极小的磁性，称作剩磁。最初施以的磁力越大，剩磁就越强；最初施以的磁力越小，剩磁也越弱。那么把声波的变化变为电流的变化，再通过电磁铁把电流的变化变为磁性的变化，把这种磁力施加在铁线上，便留有剩磁。这样，声音的变化就变成了剩磁的变化，也就能录音了。当时把声波变成电流的装置的研究尚未突破，随着电话研究的进展，才使这一问题得到解决，并立即用于浦尔生的录音装置。

个人认为，这可能是硬盘的始祖

磁带录音机

1928年德国Fritz Pfleumer公司发明的录音介质 磁带。

1935年，德国通用电气公司制成了磁带录音机，

在柏林的1935收音机展览会上，录音电话和磁带首次被展示。从此磁带做为最新式的"声音储存"媒介进入我们的视线。

日本科学家于1938年发现的交流偏磁录音原理

磁带录音原理

磁带录音磁头实际上是个蹄形电磁铁，两极相距很近，中间只留个狭缝。整个磁头封在金属壳内。录音磁带的带基上涂着一层磁粉，实际上就是许多铁磁性小颗粒。磁带紧贴着录音磁头走过，音频电流使得录音头缝隙处磁场的强弱、方向不断变化，磁带上的磁粉也就被磁化成一个个磁极方向和磁性强弱各不相同的“小磁铁”，声音信号就这样记录在磁带上了。 放音头的结构和录音头相似。当磁带从放音头的狭缝前走过时，磁带上“小磁铁”产生的磁场穿过放音头的线圈。由于“小磁铁”的极性和磁性强弱各不相同，它在线圈内产生的磁通量也在不断变化，于是在线圈中产生感应电流，放大后就可以在扬声器中发出声音。普通录音机的录音和放音往往合用一个磁头。

电子应用——计数电子管

1946年RCA公司启动了对计数电子管的研究，这是用在早期巨大的电子管计算机中的，一个管子长达10英寸（25厘米），能够保存4096bits的数据。糟糕的是，它极其昂贵，所以在市场上昙花一现，很快就消失了。

同年，ENIAC计算机于1946年诞生。这部计算机采用的是真空电子管系统。ENIAC计算机体积庞大。它在宾夕法尼亚大学的一座建筑里占据了差不多170平方米的面积。ENIAC和以往的任何计算机都不一样。至少和老式计算机相比，它的数字处理过程是闪电般的迅速快捷。

计数器原理，可以参看《计数器,计数器的工作原理是什么?》

大型磁带记录——盘式磁带

磁带首次用于数据存储是在1951年。磁带设备被称为UNISERVO，它是UNIVAC I型计算机的主要输入/输出设备。UNISERVO的有效传输效率大约是每秒7200个字符。磁带装置是金属，全长1200英尺（365米），因此非常重。

因为一卷磁带可以代替1万张打孔纸卡，于是它马上获得了成功，成为直到80年代之前最为普及的计算机存储设备。在80年代末的时候，大家都聚在一起看老电影，当时看待巨大的圆盘来回转，这就是盘式磁带。

最珍贵的回忆——盒式录音磁带

盒式录音磁带应该是80年代人，小时候珍贵的记忆之一。它显然也是磁带的一种，可是它实在是太普及了，所以要专门说一下。这是飞利浦公司在1963年发明的，可是直到1970年代才开始流行开来。

它是70年代晚期和80年代时期个人电脑的非常流行数据存储方式，如ZX Spectrum,Commodore 64和Amstrad CPC使用它来存储数据。

典型盒带的典型数率是2kb/s，每面大约可以存储660KB数据，时间约为90分钟。

现在的一张DVD9光盘，可以保存4500张这样老式磁带的数据，如果现在要把这些数据全部读出来，那要整整播放281天。所以磁带逐渐被淘汰了。

但是 现在索尼最新的磁带每平方英寸的存储容量已经达到了令人难以置信的18.5GB，是IBM在2010年所达到的记录的五倍。比一般用在归档存储的磁带的容量大74倍。有了这样的存储密度，一个小小的磁带就可以保存185TB的数据。但是目前还是不可能挽回市场。

目前大型博物馆保持资料，还是首推磁带。成本便宜。却点就是读取满。不过用作存档备份。问题不大。

日本富士胶片公司和瑞士苏黎世的研究人员研发出一种新型超密磁带，被称之为“线性磁带文件系统”。带盒长10厘米，宽10厘米，高2厘米，能够存储35TB数据。

这项存储技术可能首先用于世界上最大的射电望远镜阵列平方公里阵列。这个阵列将建在南半球，由数千个天线构成。平方公里阵列将于2024年投入使用，每天产生的压缩数据估计可达到1PB(100GB)。根据信息存储行业协会的估计，如果使用存储量达到3TB，寿命可达到10年的硬盘，每年至少需要12万个硬盘。

根据美国新罕布什尔州莱耶的技术咨询机构The Clipper Group 2010年进行的一项研究，使用硬盘的数据中心的耗电量是同等规模磁带库的200倍。

超长的存储设备——磁鼓

一支磁鼓有12英寸长，一分钟可以转1万2千5百转。它在IBM 650系列计算机中被当成主存储器，每支可以保存1万个字符（不到10K）。

硬盘存储

现在电脑的主流存储数据，还是机械硬盘。VeryCD挂了2-3年，成本原因，还是硬盘划算。

“重”大突破——世界上第一台硬盘机

1956年9月13日，IBM发布了305 RAMAC硬盘机。与之相关的计算机平平无奇，可是在存储容量方面有着革命性的变化－－它可以存储“海量”的数据，“高达”4.4MB（5百万个字符），这些数据保存在50个24英寸的硬磁盘上。直到1961年，IBM生产了1000台305计算机，IBM出租这些计算机的价格是每个月3千5百美元。

上图可以看到，世界第一款硬盘机重量达到1吨以上，而现在的硬盘最小仅有0.85英寸，重量10克都不到。

该硬盘的工作电压为+3.0V。读写时的标准耗电量为0.65W。外形尺寸为3.3×32.0×24.0mm3，重量不足10g。对于耐冲击性，硬盘工作时在2ms的时间里能够承受1000G的加速度。

光盘存储

据说VCD是中国西安某研究发明的，然后没有申请专利。但是光盘，在外面小时是看片必备。

第一张视频光盘——LD光盘

1958年就发明光盘技术了，可是直到1972年，第一张视频光盘才问世，6年后的1978年它开始在市场上卖。那个时候的光盘是只读的，虽然不能写，但是能够保存达到VHS录像机水准的视频，使得它很有吸引力。

光盘原理

  一次性记录的CD-R光盘主要采用(酞菁)有机染料，当此光盘在进行烧录时，激光就会对在基板上涂的有机染料，进行烧录，直接烧录成一个接一个的"坑"，这样有"坑"和没有"坑"的状态就形成了‘0'和‘1'的信号，这一个接一个的"坑"是不能回复的，也就是当烧成"坑"之后，将永久性地保持现状，这也就意味着此光盘不能重复擦写。这一连串的"0"、"1"信息，就组成了二进制代码，从而表示特定的数据。   

对于可重复擦写的CD-RW而言，所涂抹的就不是有机染料，而是某种碳性物质，当激光在烧录时，就不是烧成一个接一个的"坑"，而是改变碳性物质的极性，通过改变碳性物质的极性，来形成特定的"0"、"1"代码序列。这种碳性物质的极性是可以重复改变的，这也就表示此光盘可以重复擦写。 

体积更小、容量更大——小光盘

我们常见的5寸光盘，是从LD光盘发展来的，可是它更小、容量更大。它是SONY公司和飞利浦公司在1979年联合发布的，在1982年上市。一张典型的5寸光盘，可以保存700MB数据。

采用红外激光——DVD光盘

DVD是使用了不同激光技术的CD，它采用了780纳米的红外激光（标准CD则采用625－650纳米的红色激光），这种激光技术使得DVD可以在同样的面积中保存更多的数据。一张双层DVD容量可达8.5GB

最先进的存储——蓝光DVD、HD-DVD

现在最引人瞩目的，是蓝光DVD和HD-DVD这两种竞争的光盘技术。蓝色激光使得存储的容量进一步增长，目前看起来，好像蓝光DVD更流行一些。不过如果我们目光放更长远一些，也许一种被称为“Holographic Versatile Disc”的光盘，可以提供比蓝光DVD大160倍的容量－－高达3.9TB，相当于保存4600到11900小时的MPEG4格式的电影。

因为人们的生活，信息开始越来越膨胀，使得信息存储犹为重要。致使数据存储得到快速的发展。最后，我们用现在流行的DVD存储与以前的存储产品相比较，就可以直观的看出数据存储的发展。现在的DVD相当于9千万张打孔纸卡、6千张软磁盘、四千五百合磁带。

软磁盘存储

1969年IBM发明了软盘，当时是一张8英寸的大家伙，可以保存80K的只读数据。4年以后的1973年一种小一号但是容量为256K的软盘诞生了：它的特点是可以反复读写。从此一个趋势开始了磁盘直径越来越小，而容量却越来越大。到了1990年代后期，我们可以找到容量为250MB的3.5英寸软盘。

20世纪70年代中期到21世纪初是最主要的存储设备。

软盘数据的记录格式

软盘存放数据时，需要将软盘按一定的格式划分成若干个小区域。盘面划分成若干个同心圆，即磁道，每个磁道分割成若干扇区，每个扇区可存放一定字节的数据。为方便存取文件必须对扇区进行编号，这编号称为软盘地址。软盘地址由磁道号、面(头)号和扇区号三部分组成。

    (1)面(磁头)号。0面对应00号磁头，1面对应01号磁头。

    (2)磁道号。从软盘的最外侧00道开始，由外向里排列，3.5英寸高密软盘共80个磁道。

    (3)扇区号。各个扇区的顺序号即为扇区号，尽管外磁道和内磁道的记录密度不同，但扇区数相同。3.5英寸高密软盘每个磁道有18个扇区。每个扇区512个字节，容量为2×80×18×512=1474560字节。

    (4)簇。系统将扇区分组，构成簇(Cluster)。文件在软盘上以簇为单位存放，不以扇区为单位存放，这样可减少FAT的信息量。一个簇由2n(n=0、1、…、6)个扇区组成，一个簇含的扇区数与盘容量及FAT表的格式有关，2M以下的磁盘一个簇只有一个扇区。一个文件至少占一个簇。

软盘扇区格式如图6-3所示。每条磁道由前置区、区段区及后置区三部分组成，每个扇区都有识别标志(ID)字段、数据字段和两个间隙(GAP)。软盘的磁道号、磁头号、扇区号就记录在ID字段内。

软盘的格式化

软盘格式化是在软盘上划分记录区；写入各种标志信息和地址信息；确定数据记录在磁盘上的方式；确定每个磁盘的磁道数，每道的扇区数目以及间隙、同步字段和识别标志的字节数，这一过程称为软盘的物理格式化。同时，格式化还要在软盘上建立磁盘的系统格式，称为系统格式化。软盘经格式化后，数据才能存放到这张盘片上。

经重新格式化后的软盘，其盘上的数据将被全部清除。

闪存，半导体存储器

固态硬盘

固态驱动器（Solid State Disk或Solid State Drive，简称SSD），俗称固态硬盘，固态硬盘是用固态电子存储芯片阵列而制成的硬盘，因为台湾英语里把固体电容称之为Solid而得名。SSD由控制单元和存储单元（FLASH芯片、DRAM芯片）组成。固态硬盘在接口的规范和定义、功能及使用方法上与普通硬盘的完全相同，在产品外形和尺寸上也完全与普通硬盘一致。被广泛应用于军事、车载、工控、视频监控、网络监控、网络终端、电力、医疗、航空、导航设备等诸多领域。

相比机械硬盘速度快2-3倍。

参考文章：

存储器原理及历史 https://blog.csdn.net/yang889999888/article/details/73549940

百年IBM的24个瞬间：从制表机到超级计算机 news.mydrivers.com/1/196/196557.htm

转载本站文章《数据存储(1)：从数据存储看人类文明-数据存储器发展历程》,

请注明出处：https://www.zhoulujun.cn/html/theory/ComputerScienceTechnology/Constitution/2020_0619_8472.html