Физические и логические основы работы с НМД.

Хворенков С.Г.

Введение.

Все расчеты в компьютере производятся над данными, которые находятся в ОП(оперативной памяти). ОП- энергозависима(компьютер выключен –данные потеряны). ОП равнодоступна( это огромный плюс, что любой байт информации доступен за одно и тоже время) и доступ происходит с электронными скоростями. Но ОП дорогая и, повторюсь еще раз, энергозависима.

Поэтому огромные объемы информации приходится хранить на внешних носителях и, прежде всего, сейчас и в обозримом будущем на магнитных дисках (НМД).

Процесс обработки больших объемов информации сводится к порционной обработке в ОП и в подкачке информации с НМД в ОП.

НМД –энерго- независимое оборудование, то есть при отключении от компьютера информация не теряется и хранится, практически, сколь угодно долго. Объем НМД , практически, бесконечен(снимай один НМД, ставь другой). НМД относительно дешевый.

Все хорошо, но в НМД присутствуют механические компоненты, которые приводят к тому что скорости чтения-записи на НМД несоизмеримы со скоростями в ОП.

Поэтому все технические и логические решения, связанные с НМД направлены на уменьшение роли механических компонент в общей схеме обработки информации.

Именно, на рассмотрение этих проблем нацелена предлагаемая методическая разработка.

Физическое устройство нмд.

На рисунке приведена всего одна сторона одной пластины, из которого следует что на каждой стороне пластины множество концентрических окружностей, называемых дорожками(треками).

Каждый трек разбивается на части, называемые секторами .

НМД(накопитель на магнитных дисках) это множество пластин нанизанных на одну ось. Присмотритесь к следующему рисунку и обратите внимание, на то что каждая дорожка состоит из секторов, разделенных на межблочные промежутки.

Жесткий диск представляет собой герметичную железную коробку, внутри которой находится один или несколько магнитных дисков вместе с блоком головок чтения/записи и электродвигателем. При включении компьютера электродвигатель раскручивает магнитный диск до высокой скорости (несколько тысяч оборотов в минуту) и диск продолжает вращаться все время, пока компьютер включен. Над диском "парят" специальные магнитные головки, которые записывают и считывают информацию. Головки парят над диском вследствие его высокой скорости вращения. Если бы головки касались диска, то из-за силы трения диск быстро вышел бы из строя.

При работе с магнитными дисками используются следующие понятия.

Дорожка – концентрическая окружность на магнитном диске, которая является основой для записи информации.

Цилиндр – это совокупность магнитных дорожек, расположенных друг над другом на всех рабочих поверхностях дисков винчестера.

Номер цилиндра совпадает с номерами дорожек, которые он логически объединяет.

Сектор – участок магнитной дорожки, который является одной из основных единиц записи информации. Каждый сектор имеет свой собственный номер.

Кластер - минимальный элемент магнитного диска, которым оперирует операционная система при работе с дисками. Каждый кластер состоит из одного или нескольких секторов. В дальнейшем, будем считать в наших рассуждениях, что один кластер равен одному сектору.

Особо обратим внимание на то что все ГЧЗ( блок головок чтения –записи) жестко закреплены на, так называемой, гребенке, так что при любом перемещении гребенки внутрь пластин одновременно доступны для чтения или записи дорожки всех пластин, имеющих одинаковый номер. Именно это обстоятельство, является основой для использования концепции цилиндров при работе с НМД(смотри далее).

НМД в мире огромное количество типов с разными параметрами (различное количество пластин, дорожек, секторов и т.д). Для дальнейших рассуждений введем следующие параметры НМД.

Количество пластин -10(следовательно, сторон будет 20).

Количество дорожек на одной стороне пластины -100.

Количество секторов на одной дорожке -20.

Размер сектора -1000 байт.

Отсюда, можно подсчитать объем информации, который можно разместить на этом НМД.

V=10*2*100*20*1000=40000000 байт =40 млн байт

Физическая адресация на дисках.

Как только включается компьютер, в ОП с НМД загружается BIOS( базисная система ввода-вывода) –это набор программ, которые отрабатывают предопределенные функции компьютера и прежде всего обслуживающие все устройства, такие как клавиатура, экран, мышь, принтеры и, конечно, НМД.

Эти программы называются INT №(interrupt-прерывания с обязательным указанием номера). Запрос к любому внешнему устройству сводится к выполнению прерывания с известным номером.

Для НМД это прерывание требует указания трех координат

C – цилиндра,

H- пластины,

R-сектора,

для того чтобы обратится к конкретному сектору для чтения или записи.

Рассмотрим еще раз эти координаты. Номер цилиндра C –это позиция гребенки, то есть всех головок на одной вертикали в каждое мгновение. Перемещение гребенки –это чистая механика. В произвольный момент времени все головки находятся над дорожками с одним номером, то есть все дорожки всех пластин с одним номером доступны без механических перемещений головок.

В этом основа концепции цилиндров как способа борьбы с механикой.

Приведем пример. Пусть некий файл требует для размещения на НМД 20 дорожек памяти.

Вапиант1(плохой вариант). Пусть файл размещается на 20 смежных дорожках одной пластины, например, начиная с 15 дорожки и по 34. Как в этом случае прочитать файл. Сначала, с какой-то неизвестной позиции гребенки необходимо сделать стартовое перемещение на 15 дорожку. Прочитать содержимое 15 дорожки и затем, последовательно перемещать головки на 16,17 и так до 34 дорожки., то есть нужно осуществить 20 механических перемещений головок.

Вариант2 (хороший вариант). Пусть файл размещается на одной вертикали(цилиндре15). Напоминаем, на одном цилиндре 20 дорожек (10 двусторонних пластин). В этом варианте необходимо сделать только стартовое перемещение на 15 цилиндр. Выигрыш, в данном примере, в 20 раз с позиций механического перемещения головок. Это первое решение в плане уменьшения фактора механики. В операционной системе это заложено концептуально, то есть в процессе записи очередной порции информации происходит поиск дорожки на том же цилиндре, где записывалась предыдущая порция. Если это не удается, то происходит поиск дорожки на соседнем цилиндре 16 и т.д. Перемещаться в этом случае придется, но минимально.

Завершим эту тему одним замечанием, которое пригодится для понимания дальнейшего. Концепция цилиндров, предполагает, принципиальный отказ от, казалось бы, естественной последовательной записи информации от дорожки к дорожке сначала на одной пластине, затем на другой пластине и т.д. Принципиально пошли на хаотичный способ записи, а значит и чтения информации ради уменьшения фактора механики. Тем самым породили проблему сбора информации, относящуюся к одному файлу, решение которой будем обсуждать далее.

Вернемся к обсуждению второй координаты H – пластины. Это чисто электронный компонент, включение необходимой головки по задаваемому номеру это время несоизмеримо мало по сравнению с перемещением головок.

Третья координата R- сектор(record). Это чисто механическая компонента. Напоминаем, все пластины вращаются со скоростью, несколько тысяч оборотов в минуту. Пусть эта скорость равна 6000 оборотов в минуту – 100 оборотов в секунду (это близко к истине). Значит, один оборот НМД совершается за 0.01 секунды. Именно за это время под головками пробегут все 20 секторов дорожки. Возможно, что искомая запись будет найдена в первом секторе, возможно – в последнем секторе. В среднем, время поиска на дорожке потребует половину оборота НМД, то есть 0.005 секунды. Это время некий ориентир для понимания проблем. Например, если файл размещается на 1000 дорожек, то только время вращения НМД составит Т= 1000*0.01=10сек. Это очень много. Уже на этом этапе можно сделать вывод о неприемлемости применения последовательного чтения файлов в системах обработки информации.