Warum digital?

Obwohl viele Lehrbücher gute Einführungen in die digitale Speichertechnologie bieten, beabsichtige ich, dieses Kapitel einzigartig zu machen, indem sowohl vergangene als auch gegenwärtige Technologien bis zu einem gewissen Grad detailliert vorgestellt werden. Obwohl viele dieser Speicherdesigns veraltet sind, sind ihre Grundprinzipien immer noch sehr interessant und lehrreich und könnten sogar in den Speichertechnologien der Zukunft wieder Anwendung finden.

Das grundlegende Ziel des digitalen Speichers besteht darin, ein Mittel zum Speichern und Zugreifen auf binäre Daten bereitzustellen:Folgen von Einsen und Nullen. Die digitale Speicherung von Informationen bietet Vorteile gegenüber analogen Techniken, genauso wie die digitale Kommunikation von Informationen Vorteile gegenüber der analogen Kommunikation hat.

Dies soll nicht heißen, dass die digitale Datenspeicherung der analogen eindeutig überlegen ist, aber sie adressiert einige der häufigeren Probleme, die mit analogen Techniken verbunden sind, und findet daher sowohl in Verbraucher- als auch in industriellen Anwendungen eine immense Popularität. Die digitale Datenspeicherung ergänzt auch die digitale Rechentechnologie gut und findet daher eine natürliche Anwendung in der Welt der Computer.

Der offensichtlichste Vorteil der digitalen Datenspeicherung ist die Beständigkeit gegen Korruption. Angenommen, wir speichern Daten über die Größe eines Spannungssignals durch Magnetisieren eines kleinen Stücks magnetischen Materials. Da viele magnetische Materialien ihre Magnetisierungsstärke im Laufe der Zeit sehr gut behalten, wäre dies ein logischer Medienkandidat für die Langzeitspeicherung dieser speziellen Daten (eigentlich funktioniert Audio- und Videobandtechnologie genau so:dünnes Plastikband wird imprägniert mit Partikeln aus Eisenoxidmaterial, die durch Anlegen eines Magnetfelds von einer elektromagnetischen Spule magnetisiert oder entmagnetisiert werden können.

Die Daten werden dann vom Band abgerufen, indem das magnetisierte Band an einer anderen Drahtspule vorbeibewegt wird, wobei die magnetisierten Punkte auf dem Band eine Spannung in dieser Spule induzieren und die ursprünglich zum Magnetisieren des Bands verwendete Spannungswellenform reproduzieren).

Wenn wir ein analoges Signal durch die Magnetisierungsstärke an Stellen des Bandes darstellen, ist die Speicherung von Daten auf dem Band anfällig für den geringsten Grad der Verschlechterung dieser Magnetisierung. Wenn das Band altert und die Magnetisierung nachlässt, erscheint die auf dem Band dargestellte analoge Signalgröße geringer als bei der ersten Aufnahme der Daten.

Auch wenn irgendwelche Störmagnetfelder die Magnetisierung auf dem Band verändern, selbst wenn es nur um einen kleinen Betrag ist, wird diese Veränderung der Feldstärke bei der Wiedergabe als Veränderung (oder Verfälschung) des aufgezeichneten Signals interpretiert . Da analoge Signale eine unendliche Auflösung haben, hat die kleinste Änderung einen Einfluss auf die Integrität der Datenspeicherung.

Wenn wir jedoch dasselbe Band verwenden und die Daten in binärer digitaler Form speichern würden, würde die Magnetisierungsstärke auf dem Band in zwei diskrete Stufen fallen:„hoch“ und „niedrig“, ohne gültige Zwischenzustände. Wenn das Band gealtert oder Störmagnetfeldern ausgesetzt war, erfuhren dieselben Stellen auf dem Band eine leichte Änderung der Magnetfeldstärke, es sei denn, die Änderungen waren extrem , würde bei der Wiedergabe des Bandes keine Datenbeschädigung auftreten.

Durch die Reduzierung der Auflösung des auf das Magnetband eingeprägten Signals haben wir eine erhebliche Immunität gegenüber der Art von Verschlechterung und „Rauschen“ gewonnen, die typischerweise gespeicherte analoge Daten plagen. Auf der anderen Seite wäre unsere Datenauflösung auf die Abtastrate und die Anzahl der Bits beschränkt, die der A/D-Wandler ausgibt, der das ursprüngliche analoge Signal interpretiert, sodass die Wiedergabe nicht unbedingt „besser“ wäre als bei analogen, bloß robuster. Mit der fortschrittlichen Technologie moderner A/Ds ist der Kompromiss jedoch für die meisten Anwendungen akzeptabel.

Durch die Codierung verschiedener Datentypen in spezifische Binärzahlenschemata ermöglicht uns die digitale Speicherung außerdem, eine Vielzahl von Informationen zu archivieren, die in analoger Form oft schwer zu codieren sind. Text beispielsweise wird ganz einfach mit dem binären ASCII-Code dargestellt, sieben Bits für jedes Zeichen, einschließlich Satzzeichen, Leerzeichen und Zeilenumbrüchen. Ein breiterer Textbereich wird auf ähnliche Weise mit dem Unicode-Standard codiert.

Jede Art von numerischen Daten kann in binärer Notation auf digitalen Medien dargestellt werden, und jede Art von Informationen, die in numerischer Form kodiert werden können (was fast jede Art kann!) ist ebenfalls speicherbar. Techniken wie Paritäts- und Prüfsummenfehlererkennung können eingesetzt werden, um weiter gegen Datenkorruption zu schützen, auf eine Art und Weise, für die sich Analog nicht eignet.