傳統文字儲存

泥版/鐘鼎/甲骨/莎草紙/羊皮紙等文字儲存

傳統的考古學家和歷史學家認為，楔形文字起源於美索不達米亞特殊的漁獵生活方式。這是較為通行的看法，西方的各種百科全書大都持這一觀點。約在公元前3400年左右，楔形文字雛形產生，多為影象。到公元前 500 年左右， 這種文字甚至成了西亞大部分地區通用的商業交往媒介。楔形文字一直被使用到公元元年前後，使用情景如同現今的拉丁文。

有了文字後，人類有又了記錄過往資料的能力。但是，都是靠手工儲存。

這些歷史，這裡不做過多種贅述

造紙與活字印刷術

造紙術與應刷術是中國四大發明之一。

公元105年（西漢），蔡倫改進了造紙術，隨後就是對造紙術的改進過程，唐朝利用竹子為原料製成的竹紙，標誌著造紙技術取得了重大的突破。隨後就是西方一些列的改進了。

公元1041年-1048年(北宋)，畢昇發明的泥活字。標誌著活字印刷術的誕生。隨後也是漫長的改進，傳入歐洲400以後，

1440年到1445年之間，德國人約翰內斯·古騰堡的鉛活字，凸版印刷技術——維克多·雨果稱印刷術為世界上最大的發明。

在中世紀初期，書是財富的象徵。如果誰家有一個圖書室。那實在是太富有了，因為在當時書是人們用手工辛辛苦苦抄寫出來的。僧侶和抄寫員經常被僱來做這項工作，當然費用相當可觀。印刷機的出現改變了這一切，並在文藝復興時期加快了知識和文化的傳播。

穿孔卡帶紙儲存

最早期的儲存媒介——打孔紙卡

這個是最早的資料儲存媒介了，在1725年由Basile Bouchon發明出來，用來儲存印染布上的圖案。但是關於它的第一個真正的專利權，IBM的創始人赫爾曼·霍爾瑞斯教授（Herman Hollerith）在1884年9月23日申請的，這個發明用了將近100年，一直用到了20世紀70年代中期。

他於1888年發明自動製表機——首個使用打孔卡技術的資料處理機器。自動製表機(打孔卡資料處理技術)用於1890年以及後續的美國人口普查，並獲得巨大成功。

IBM的前身——計算製表計時公司（CRT-Computing-Tabulating-Recording Company）創辦於1911年，從事量表、計時裝置和製表機的生產。

1923年，CTR發明了首款電動打孔機，與手動打孔機相比，速度和精確度有了很大提升。1920年代末，IBM發明了一種80列打孔卡，稱得上當時的“高密度儲存裝置”。“IBM打孔卡”成為業界標準。

老湯姆·沃森(Tom Watson Sr.)在1914年至1956年間主管公司業務，這位雄心勃勃的領軍人在1924年將公司更名為“國際商用機器”，即日後聞名世界的IBM。

在軟體領域，IBM亦有卓越貢獻。它研發了FORTRAN、COBOL和SQL程式語言，發明了關係資料庫和語音識別軟體。

從1960年代到1980年代初，IBM在計算領域佔據統治地位，但它的成功卻引來了反壟斷調查。1990年代初，外界干擾和盲目擴張導致IBM幾近崩潰，不過如今依然是巨頭。

上圖是打孔紙卡的典型例子－－它製成於1972年，上面可以打90列孔。顯然你可以看出，這張卡片上能儲存的資料少的可憐，事實上幾乎沒有人真的用它來存資料。一般它是用來儲存不同計算機的設定引數的。

打孔卡儲存原理

有空的地方為1，無孔的地方為零。檢測有無孔洞可以用光電，或者機械觸點。

輸入就是鑿孔，用錐子，用打孔機都可以，我就用錐子改過紙帶，用線上切割機床的控制上。

早期穿孔卡/紙帶，讀取器裡面是一組彈簧固定的探針，首先把所有探針拉起，紙帶移動，然後探針鬆開落下，如果有紙帶無孔那麼探針就會被擋住，對應的電路斷開；否則探針可以穿過孔落下，電路通路。每個探針對應一個電位計，通路為1，斷路為0。讀取後，所有探針拉起，紙帶前移，然後探針鬆開，迴圈。

容量比打孔紙卡大——穿孔紙帶

Alexander Bain（傳真機和電傳電報機的發明人）在1846年最早使用了穿孔紙帶。紙帶上每一行代表一個字元，顯然穿孔紙帶的容量比打孔紙卡大多了。

從錄音機看儲存發展

聲波振記器

1857年，法國發明家斯科特(Scott)發明了聲波振記器，並於1857年3月25日取得專利。斯科特的聲波振記器是最早的原始錄音機，是留聲機的鼻祖。它能將聲音轉錄到一種可視媒介，但無法在錄音後播放。剛開始時，這臺聲波記振儀是將錄音轉到一塊玻璃板上。後來的一種版本用一張紙放在鼓面或滾筒上。另一種版本將一條代表聲波的線拉到一卷紙上。這臺聲波記振儀是在實驗室研究聲學時發明的。它被用來測定一個音調的頻率和研究聲音及語言，直到發明留聲機之後，人們它才得到普遍的瞭解，由聲波記振儀記錄下來的波形是一種只需一個重放裝置來重現聲音的聲波記錄。

留聲機

1877年11月21日，美國發明家愛迪生宣佈發明世界上第一臺留聲機——一可以將聲波變換成金屬針的震動，然後將波形刻錄在圓筒形臘管的錫箔上。當針再一次沿著刻錄的軌跡行進時，便可以重新發出留下的聲音。從此錄音技術使人類獲得了記錄、貯存、重放聲音資訊的手段。

1878年 愛迪生成立製造留聲機的公司，生產商業性的錫箔唱筒。這是世界第一代聲音載體和第一臺商品留聲機。

平面式留聲機

1887年旅美德國人伯利納(Emil·Berliner)獲得了一項留聲機的專利，研製成功了圓片形唱片(也稱蝶形唱片)和平面式留聲機。

1891年 伯利納研製成功以蟲膠為原料的唱片，發明了製作唱片的方法。

工作原理

先把聲音的振動屬性記錄在唱片上，就是在唱片上劃出一些彎彎曲曲的槽子（這裡的“彎彎曲曲”就記錄了音源的屬性），我們在放音的時候，就把唱針放入槽中，當唱片轉動的時候，唱片上的槽子就會迫使唱針振動起來，這樣就有了聲音。

還原聲音的關鍵裝置是拾音器，它有一根針，在密紋唱片的軌道上相對滑行（拾音器本身只作軸向運動，唱片在唱盤上勻角速旋轉），將軌道上凹凸不平的坑所產生的振動轉化為電訊號，然後再通過一系列解調、放大最終到喇叭單元，驅動喇叭產生聲音訊號。

磁性錄音機

1898年，丹麥科學家浦耳生(V.Poulsen）利用剩磁原理髮明瞭磁性錄音機(鋼絲錄音機)。即鐵可以磁化和消磁，但消磁後仍會殘留極小的磁性，稱作剩磁。最初施以的磁力越大，剩磁就越強；最初施以的磁力越小，剩磁也越弱。那麼把聲波的變化變為電流的變化，再通過電磁鐵把電流的變化變為磁性的變化，把這種磁力施加在鐵線上，便留有剩磁。這樣，聲音的變化就變成了剩磁的變化，也就能錄音了。當時把聲波變成電流的裝置的研究尚未突破，隨著電話研究的進展，才使這一問題得到解決，並立即用於浦爾生的錄音裝置。

個人認為，這可能是硬碟的始祖

磁帶錄音機

1928年德國Fritz Pfleumer公司發明的錄音介質 磁帶。

1935年，德國通用電氣公司製成了磁帶錄音機，

在柏林的1935收音機展覽會上，錄音電話和磁帶首次被展示。從此磁帶做為最新式的"聲音儲存"媒介進入我們的視線。

日本科學家於1938年發現的交流偏磁錄音原理

磁帶錄音原理

磁帶錄音磁頭實際上是個蹄形電磁鐵，兩極相距很近，中間只留個狹縫。整個磁頭封在金屬殼內。錄音磁帶的帶基上塗著一層磁粉，實際上就是許多鐵磁性小顆粒。磁帶緊貼著錄音磁頭走過，音訊電流使得錄音頭縫隙處磁場的強弱、方向不斷變化，磁帶上的磁粉也就被磁化成一個個磁極方向和磁性強弱各不相同的“小磁鐵”，聲音訊號就這樣記錄在磁帶上了。 放音頭的結構和錄音頭相似。當磁帶從放音頭的狹縫前走過時，磁帶上“小磁鐵”產生的磁場穿過放音頭的線圈。由於“小磁鐵”的極性和磁性強弱各不相同，它線上圈內產生的磁通量也在不斷變化，於是線上圈中產生感應電流，放大後就可以在揚聲器中發出聲音。普通錄音機的錄音和放音往往合用一個磁頭。

電子應用——計數電子管

1946年RCA公司啟動了對計數電子管的研究，這是用在早期巨大的電子管計算機中的，一個管子長達10英寸（25釐米），能夠儲存4096bits的資料。糟糕的是，它極其昂貴，所以在市場上曇花一現，很快就消失了。

同年，ENIAC計算機於1946年誕生。這部計算機採用的是真空電子管系統。ENIAC計算機體積龐大。它在賓夕法尼亞大學的一座建築裡佔據了差不多170平方米的面積。ENIAC和以往的任何計算機都不一樣。至少和老式計算機相比，它的數字處理過程是閃電般的迅速快捷。

計數器原理，可以參看《計數器,計數器的工作原理是什麼?》

大型磁帶記錄——盤式磁帶

磁帶首次用於資料儲存是在1951年。磁帶裝置被稱為UNISERVO，它是UNIVAC I型計算機的主要輸入/輸出裝置。UNISERVO的有效傳輸效率大約是每秒7200個字元。磁帶裝置是金屬，全長1200英尺（365米），因此非常重。

因為一卷磁帶可以代替1萬張打孔紙卡，於是它馬上獲得了成功，成為直到80年代之前最為普及的計算機儲存裝置。在80年代末的時候，大家都聚在一起看老電影，當時看待巨大的圓盤來回轉，這就是盤式磁帶。

最珍貴的回憶——盒式錄音磁帶

盒式錄音磁帶應該是80年代人，小時候珍貴的記憶之一。它顯然也是磁帶的一種，可是它實在是太普及了，所以要專門說一下。這是飛利浦公司在1963年發明的，可是直到1970年代才開始流行開來。

它是70年代晚期和80年代時期個人電腦的非常流行資料儲存方式，如ZX Spectrum,Commodore 64和Amstrad CPC使用它來儲存資料。

典型盒帶的典型數率是2kb/s，每面大約可以儲存660KB資料，時間約為90分鐘。

現在的一張DVD9光碟，可以儲存4500張這樣老式磁帶的資料，如果現在要把這些資料全部讀出來，那要整整播放281天。所以磁帶逐漸被淘汰了。

但是 現在索尼最新的磁帶每平方英寸的儲存容量已經達到了令人難以置信的18.5GB，是IBM在2010年所達到的記錄的五倍。比一般用在歸檔儲存的磁帶的容量大74倍。有了這樣的儲存密度，一個小小的磁帶就可以儲存185TB的資料。但是目前還是不可能挽回市場。

目前大型博物館保持資料，還是首推磁帶。成本便宜。卻點就是讀取滿。不過用作存檔備份。問題不大。

日本富士膠片公司和瑞士蘇黎世的研究人員研發出一種新型超密磁帶，被稱之為“線性磁帶檔案系統”。帶盒長10釐米，寬10釐米，高2釐米，能夠儲存35TB資料。

這項儲存技術可能首先用於世界上最大的射電望遠鏡陣列平方公里陣列。這個陣列將建在南半球，由數千個天線構成。平方公里陣列將於2024年投入使用，每天產生的壓縮資料估計可達到1PB(100GB)。根據資訊儲存行業協會的估計，如果使用儲存量達到3TB，壽命可達到10年的硬碟，每年至少需要12萬個硬碟。

根據美國新罕布什爾州萊耶的技術諮詢機構The Clipper Group 2010年進行的一項研究，使用硬碟的資料中心的耗電量是同等規模磁帶庫的200倍。

超長的儲存裝置——磁鼓

一支磁鼓有12英寸長，一分鐘可以轉1萬2千5百轉。它在IBM 650系列計算機中被當成主儲存器，每支可以儲存1萬個字元（不到10K）。

硬碟儲存

現在電腦的主流儲存資料，還是機械硬碟。VeryCD掛了2-3年，成本原因，還是硬碟划算。

“重”大突破——世界上第一臺硬碟機

1956年9月13日，IBM釋出了305 RAMAC硬碟機。與之相關的計算機平平無奇，可是在儲存容量方面有著革命性的變化－－它可以儲存“海量”的資料，“高達”4.4MB（5百萬個字元），這些資料儲存在50個24英寸的硬磁碟上。直到1961年，IBM生產了1000臺305計算機，IBM出租這些計算機的價格是每個月3千5百美元。

上圖可以看到，世界第一款硬碟機重量達到1噸以上，而現在的硬碟最小僅有0.85英寸，重量10克都不到。

該硬碟的工作電壓為+3.0V。讀寫時的標準耗電量為0.65W。外形尺寸為3.3×32.0×24.0mm3，重量不足10g。對於耐衝擊性，硬碟工作時在2ms的時間裡能夠承受1000G的加速度。

光碟儲存

據說VCD是中國西安某研究發明的，然後沒有申請專利。但是光碟，在外面小時是看片必備。

第一張視訊光碟——LD光碟

1958年就發明光碟技術了，可是直到1972年，第一張視訊光碟才問世，6年後的1978年它開始在市場上賣。那個時候的光碟是隻讀的，雖然不能寫，但是能夠儲存達到VHS錄影機水準的視訊，使得它很有吸引力。

光碟原理

  一次性記錄的CD-R光碟主要採用(酞菁)有機染料，當此光碟在進行燒錄時，鐳射就會對在基板上塗的有機染料，進行燒錄，直接燒錄成一個接一個的"坑"，這樣有"坑"和沒有"坑"的狀態就形成了‘0'和‘1'的訊號，這一個接一個的"坑"是不能回覆的，也就是當燒成"坑"之後，將永久性地保持現狀，這也就意味著此光碟不能重複擦寫。這一連串的"0"、"1"資訊，就組成了二進位制程式碼，從而表示特定的資料。   

對於可重複擦寫的CD-RW而言，所塗抹的就不是有機染料，而是某種碳性物質，當鐳射在燒錄時，就不是燒成一個接一個的"坑"，而是改變碳性物質的極性，通過改變碳性物質的極性，來形成特定的"0"、"1"程式碼序列。這種碳性物質的極性是可以重複改變的，這也就表示此光碟可以重複擦寫。 

體積更小、容量更大——小光碟

我們常見的5寸光碟，是從LD光碟發展來的，可是它更小、容量更大。它是SONY公司和飛利浦公司在1979年聯合釋出的，在1982年上市。一張典型的5寸光碟，可以儲存700MB資料。

採用紅外鐳射——DVD光碟

DVD是使用了不同鐳射技術的CD，它採用了780奈米的紅外鐳射（標準CD則採用625－650奈米的紅色鐳射），這種鐳射技術使得DVD可以在同樣的面積中儲存更多的資料。一張雙層DVD容量可達8.5GB

最先進的儲存——藍光DVD、HD-DVD

現在最引人矚目的，是藍光DVD和HD-DVD這兩種競爭的光碟技術。藍色鐳射使得儲存的容量進一步增長，目前看起來，好像藍光DVD更流行一些。不過如果我們目光放更長遠一些，也許一種被稱為“Holographic Versatile Disc”的光碟，可以提供比藍光DVD大160倍的容量－－高達3.9TB，相當於儲存4600到11900小時的MPEG4格式的電影。

因為人們的生活，資訊開始越來越膨脹，使得資訊儲存猶為重要。致使資料儲存得到快速的發展。最後，我們用現在流行的DVD儲存與以前的儲存產品相比較，就可以直觀的看出資料儲存的發展。現在的DVD相當於9千萬張打孔紙卡、6千張軟磁碟、四千五百合磁帶。

軟磁碟儲存

1969年IBM發明了軟盤，當時是一張8英寸的大傢伙，可以儲存80K的只讀資料。4年以後的1973年一種小一號但是容量為256K的軟盤誕生了：它的特點是可以反覆讀寫。從此一個趨勢開始了磁碟直徑越來越小，而容量卻越來越大。到了1990年代後期，我們可以找到容量為250MB的3.5英寸軟盤。

20世紀70年代中期到21世紀初是最主要的儲存裝置。

軟盤資料的記錄格式

軟盤存放資料時，需要將軟盤按一定的格式劃分成若干個小區域。盤面劃分成若干個同心圓，即磁軌，每個磁軌分割成若干扇區，每個扇區可存放一定位元組的資料。為方便存取檔案必須對扇區進行編號，這編號稱為軟盤地址。軟盤地址由磁軌號、面(頭)號和扇區號三部分組成。

    (1)面(磁頭)號。0面對應00號磁頭，1面對應01號磁頭。

    (2)磁軌號。從軟盤的最外側00道開始，由外向裡排列，3.5英寸高密軟盤共80個磁軌。

    (3)扇區號。各個扇區的順序號即為扇區號，儘管外磁軌和內磁軌的記錄密度不同，但扇區數相同。3.5英寸高密軟盤每個磁軌有18個扇區。每個扇區512個位元組，容量為2×80×18×512=1474560位元組。

    (4)簇。系統將扇區分組，構成簇(Cluster)。檔案在軟盤上以簇為單位存放，不以扇區為單位存放，這樣可減少FAT的資訊量。一個簇由2n(n=0、1、…、6)個扇區組成，一個簇含的扇區數與盤容量及FAT表的格式有關，2M以下的磁碟一個簇只有一個扇區。一個檔案至少佔一個簇。

軟盤扇區格式如圖6-3所示。每條磁軌由前置區、區段區及後置區三部分組成，每個扇區都有識別標誌(ID)欄位、資料欄位和兩個間隙(GAP)。軟盤的磁軌號、磁頭號、扇區號就記錄在ID欄位內。

軟盤的格式化

軟盤格式化是在軟盤上劃分記錄區；寫入各種標誌資訊和地址資訊；確定資料記錄在磁碟上的方式；確定每個磁碟的磁軌數，每道的扇區數目以及間隙、同步欄位和識別標誌的位元組數，這一過程稱為軟盤的物理格式化。同時，格式化還要在軟盤上建立磁碟的系統格式，稱為系統格式化。軟盤經格式化後，資料才能存放到這張碟片上。

經重新格式化後的軟盤，其盤上的資料將被全部清除。

快閃記憶體，半導體儲存器

固態硬碟

固態驅動器（Solid State Disk或Solid State Drive，簡稱SSD），俗稱固態硬碟，固態硬碟是用固態電子儲存晶片陣列而製成的硬碟，因為臺灣英語裡把固體電容稱之為Solid而得名。SSD由控制單元和儲存單元（FLASH晶片、DRAM晶片）組成。固態硬碟在介面的規範和定義、功能及使用方法上與普通硬碟的完全相同，在產品外形和尺寸上也完全與普通硬碟一致。被廣泛應用於軍事、車載、工控、視訊監控、網路監控、網路終端、電力、醫療、航空、導航裝置等諸多領域。

相比機械硬碟速度快2-3倍。

參考文章：

儲存器原理及歷史 https://blog.csdn.net/yang889999888/article/details/73549940

百年IBM的24個瞬間：從製表機到超級計算機 news.mydrivers.com/1/196/196557.htm

轉載本站文章《資料儲存(1)：從資料儲存看人類文明-資料儲存器發展歷程》,
請註明出處：https://www.zhoulujun.cn/html/theory/ComputerScienceTechnology/Constitution/2020_0619_8472.