4.2.Носители памяти для долговременного хранения данных
4.2.1.Накопители на жестких дисках
Без жестких дисков трудно вообразить полноценный компьютер в современном мире, хотя лет 20 назад такой роскошью могли обладать не все компьютеры. Эти устройства представляют собой один или несколько дисков на прочной основе. На поверхность дисков нанесены магнитные материалы, свойства которых позволяют долговременно хранить информацию в цифровом виде. Вращение этих дисков создает основу для быстрого считывания информации в азимутальном направлении, но требует сложной конструкции узла считывания и записи информации. Между диском и магнитной головкой, исполняющей роль этого узла, во время движения диска должен иметь место строго выверенный воздушный зазор. Это обстоятельство является одним из основных факторов, усложняющих конструкцию дисков и сдерживающих уменьшение времени считывания информации. Кроме того, при радиальном вращении плотность записи информации уменьшается при удалении от центра вращения, и поверхность диска используется не рационально.
Жесткие диски могут быть установленными в конкретный компьютер или переносимыми. В том и другом случае они характеризуются самой низкой стоимостью хранения единицы информации.
Первые диски отличались большими физическими размерами, что определялось невысокой плотностью записи информации. Это приводило к следующим недостаткам:
большой вес и малый объём хранимой информации (диск объёмом 2,5 Мб не был в те времена музейной редкостью);
биения на краях диска, из-за необходимости сохранения нужного воздушного зазора, приводили к ограничению скорости вращения и ужесточению условий эксплуатации машины.
Успехи технологии в области разработки магнитных материалов привели к резкому увеличению плотности записи данных, что привело к революционным изменениям параметров жестких дисков:
существенно возросли объёмы дисков (несколько сотен гигабайт – это уже обыденное явление);
на порядки уменьшились размеры (это позволило заключить устройство в закрытый корпус) и вес;
практически на нет свелись биения, что позволило увеличить скорость вращения (до 15-ти тысяч оборотов) и сделать более мобильными передвижения магнитной головки в радиальном направлении.
В целом, компактность, ценная сама по себе, позволила уменьшить на порядки время считывания информации, а в конструктивном плане сделать это устройство более прочным. Если сменный диск случайно уронить на пол, то прежде чем дать волю отрицательным эмоциям, следует проверить диск на работоспособность, и не исключено, что для огорчений повода может и не быть.
Виртуальные диски. В современных дисках число блоков в дорожках с внешней и внутренней стороны диска может быть разным, что создает дополнительные проблемы для ОС (см. раздел. 2.3 и 2.4). Это связано с тем, что на внешней стороне с целью продуктивного использования магнитной поверхности диска при удалении от центра число блоков в дорожке увеличивается. По конструктивным соображениям повторить этот прием на внутренней стороне диска довольно сложно. Чтобы не отвлекать ОС от более важных дел, ОС взаимодействует с физическим диском через посредника – виртуальный диск, число дорожек в котором является постоянным. Встроенный микропроцессор обращение к виртуальному диску преобразует в форму, адекватную физическому диску.
Алгоритмы планирования перемещения магнитных головок. Суммарное время считывания (записи) данных включает в себя три составляющих:
время перемещения магнитной головки вдоль радиуса до нужной головки;
время на выбор нужного сектора, расположенного на данной дорожке;
время передачи данных.
Две последних операции определяются скоростью вращения диска, которая в современных носителях на несколько порядков превышает скорость перемещения магнитной головки по радиусу. Поэтому основные резервы уменьшения суммарного времени операции чтения / записи связаны с упорядочиванием передвижения магнитной головки. Как правило, драйверы дисков содержат таблицу дорожек. Выборки из этой таблицы, соответствующие обращениям к диску, которые должны быть обработаны, объединяются в некоторый связанный список. Последовательность элементов в этом списке определяет траекторию магнитной головки. Задача планирования в этом случае заключается в том, чтобы, найти такую стратегию, чтобы обслуживание всех запросов происходило по короткой траектории. Рассмотрим пример. Пусть получен запрос на считывания данных с дорожки 12. Пока магнитная головка осуществляет своё движение к этому пункту, последовательно поступили запросы на обращения к дорожкам: 21, 2, 32, 5, 41 и 8. Рассмотрим траекторию для различных стратегий.
Принцип FIFO. При такой стратегии
передвижение головки будет определяться
очерёдностью запросов. Как нетрудно
подсчитать путь который пройдёт магнитная
головка от начальной дорожки (12-ой) до
конечной (8 -ой) будет равен 144
lдор
, где lдор
– расстояние между дорожками.
Обработка ближайшего. В этом алгоритме первым обрабатывается обращение, которое соответствует ближайшей дорожке. Траектория обработки в этом случае примет вид: 12, 21, 32, 41 ,8,5 и 2. Длина пути такой траектории составляет 68 lдор.
Элеваторный алгоритм. В этом случае головка движется в одном направлении, пока есть запросы. Затем направление движения меняется на противоположное и также обрабатываются все запросы, встречающиеся на этом пути. Если в начале головка двигалась по направлению к дорожке с большим номером, то траектория будет такой же, как в предыдущем случае. Иначе, сначала будут посещаться дорожки с меньшими номерами: 12, 8, 5, 2, 21, 32 и 41. Длина пути будет примерно такой же.
На первый взгляд оба последних алгоритма – равноценны. Однако если усложнить пример, приблизив его к реальной ситуации, и принять во внимание, что запросы поступают постоянно и направление движения нужно будет постоянно менять, то в алгоритме «обработка ближайшего» без особого труда можно найти изъяны. «Командорская же поступь» в последнем алгоритме практически не изменится. Кроме того, в «элеваторном алгоритме» содержатся резервы улучшения алгоритма: например обрабатывать запросы при движении в одном направлении, а затем в режиме холостого хода быстро передвинуть магнитную головку в исходное состояние и затем продолжить сканирование диска, начиная с первых дорожек.
В современных дисках используют кэш память в микроконтроллере. В неё записывается информация «впрок». Пусть, например, нужно считать 1 сектор на 7-й дорожке. Вся дорожка при частоте вращения 10 000 в минуту считывается за 6 мс. Остальные секторы записываются в кэш память, и если через некоторое время поступает обращение к ним, то они просто берутся из кэш памяти диска.
Redundant Array of Independent Disk (RAID). Эта система, название которой на русский язык можно перевести как массив независимых дисков с избыточностью, призвана увеличить производительность операций с дисками. В этих операциях присутствует «механическое движение» и поэтому разрыв между временем обработки обращений к дискам и другими операциями постоянно растет. Практически единственная возможность уменьшить этот разрыв – это использовать технологию, в которой операции с дисками выполняются параллельно.
RAID-массив дисков представляет собой систему, в которой операции передачи данных в разных дисках можно осуществлять одновременно операционная система воспринимает этот массив как единый диск. Сложности, связанные с параллельным выполнением операций, решаются в рамках специального контроллера, который в зависимости от модификации может поддерживать либо 7, либо 15 дисков. Такая организация дискового пространства позволяет и ускорить операции с диском, и добиться большей надежности при этих операциях.
RAID уровня 0 (чередующий набор). В этой системе файл разбивается на равные порции, которые записываются на разные физические диски. Операции передачи данных ускоряются в n раз, где n – число дисков. Такое ускорение операций существенно повышает производительность, если плотность запросов достаточно велика, а объём запрашиваемой информации в среднем достаточно большой, чтобы деление её на порции было целесообразно. Основной недостаток – относительная ненадежность. При выходе из строя одного диска информация на других дисках может превратиться в бессмысленный набор данных.
RAID уровня 1 (зеркальный набор). В этом варианте информация при записи дублируется на двух дисках. Выигрыш в скорости при записи по сравнению с одним диском отсутствует, но при операции чтения увеличивается в 2 раза. Основное преимущества этого варианта заключается в надежности.
RAID уровня 2. Вариант этой системы предназначен для шифрования. Пусть некий текст будет для начала зашифрован обычным образом. Далее каждый байт побитно записывается на разные диски. Информация на каждом отдельном диске практически не расшифровывается. Однако, если синхронизация, к которой при параллельной записи по 1 биту предъявляются очень жесткие требования, нарушится, то результат шифрования останется тайной даже для его авторов.