Методическое пособие 665

б) емкостью; в) скоростью обработки данных;

г) тактовой частотой.

2.Доступ к данным в ОЗУ - а) произвольный; б) последовательный; в) прямой; г) ассоциативный.

3.Статические ЗУ по сравнению с динамическими … а) не требуют регенерации; б) менее быстродействующие; в) дешевы; г) имеют большую емкость.

4.Разделение адреса на две части в динамических ЗУ используется для … а) сокращения количества выводов микросхемы;

б) уменьшения времени доступа; в) повышения скорости передачи данных;

г) увеличения адресного пространства.

5.Поставьте в соответствие ширину буфера предварительной выборки тип DDR SDRAM:

6.Возможность использования двухканального режима работы памяти зависит от:

а) ширины буфера предварительной выборки; б) наличия специального контроллера памяти; в) частоты системной шины; г) количества банков памяти.

7.При тайминге 8-8-8-24 быстродействие всей микросхемы памяти равно:

50

8.Определите объем памяти DDR2 SDRAM, организованной как четыре банка по 16 MБайт каждый.

9.Аппаратная функция памяти, которая позволяет компьютеру узнать, какая память присутствует и какие тайминги можно использовать для доступа к памяти, называется:

а) SIMM; б) SPD; в) DMI; г) CAS.

10.Поставьте в соответствие термин и его значение

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВНЕШНИХ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ

Цель работы: получение основных характеристик и оценка быстродействия внешних запоминающих устройств, используемых в ПК

Программные средства: пакет программ диагностики и тестирования системы AIDA64

5.1.Характеристики внешней памяти

Квнешней памяти относятся накопители массивов информации на жестких магнитных дисках (НЖМД) и на основе особой полупроводниковой флеш-памяти (твердотельные накопители), а также все разнообразие сменных носителей информации – оптические, магнитные и полупроводниковые. В отличие от оперативной памяти все они энергонезависимы, т. е. данные хранятся при отключении питания. Они предназначены для долговременного хранения программ и данных,

51

поэтому помимо емкости и быстродействия их важной характеристикой является надежность.

Принцип работы НЖМД основан на использовании вращающейся магнитной пластины и перемещающихся головок чтения-записи. Носитель информации – диск с магнитным покрытием. Данные записываются на носитель и считываются с него с помощью магнитной головки. Процесс записи основан на явлении возбуждения магнитного поля при протекании электрического тока через обмотку головки. Импульсы тока подаются в обмотку и перемагничивают материал поверхности носителя в том месте, которое в текущий момент находится в непосредственной близости от головки. Считывание информации производится при прохождении под головкой перемагниченного носителя. Магнитный поток, образуемый проходящим под головкой намагниченным участком, частично замыкается через сердечник головки, пронизывая ее обмотку. При прохождении под головкой участков с разной полярностью намагничивания потокосцепление обмотки меняется, и в ней возникают электрические импульсы той или иной полярности, которые в соответствии с принятым методом записи воспринимаются как сигналы "лог. 1" или "лог. 0".

Накопитель содержит пакет дисков (1-4), каждый имеет две пригодные для записи магнитные поверхности. Пакет вращается со скоростью от 5400 до 15000 оборотов в минуту (RPM – число оборотов в минуту) и имеет диаметр от 1 до 3,5 дюймов (форм-фактор). Данные расположены на диске в виде концентрических окружностей – дорожек (рис. 23). Дорожки для хранения информации разбиты на сектора (наименьшая порция данных, которая записывается и считывается с диска) емкостью 512 байт (4096 Байт при расширенном формате в стандарте 4KN). Сектор обладает определенной структурой, включающей в себя заголовок, поле данных и контрольный код этого поля.

Изначально дорожки имели одно и тоже количество секторов и использовалась физическая адресация (CHS – по но-

52

меру пластины или головки (head), дорожки или цилиндра (cylinder) и сектора (sector)) [6]. Введение зональной поразрядной записи (ZBR) привело к неравномерному распределению секторов. Количество информации на внешних дорожках больше, чем на внутренних. Это позволило увеличить емкость и привело к использованию линейной адресации (LBA), когда каждому сектору-блоку присваивается порядковый номер.

Рис. 23. Логическая структура жесткого диска

Производительность жестких дисков оценивают следующими параметрами.

Среднее время поиска – время, необходимое для позиционирования магнитной головки на нужную дорожку. Производители в спецификации НЖМД указывают минимальное время поиска (перехода с одной дорожки на соседнюю), максимальное (от одного края диска к другому) и среднее. Если первые два можно измерить, то среднее значение может быть интерпретировано по-разному, поскольку зависит от расстояния поиска, т.е. конструктивных особенностей накопителя.

Средняя латентность (запаздывание) – задержка вращения, в течении которого диски поворачиваются, пока нужный

53

сектор не окажется под головкой. Она определяется как время, в течение которого диск делает пол-оборота.

Внутренняя скорость передачи данных – время передачи блока данных с головки в контроллер накопителя. Использование кэширования дисков аналогично функционированию кэша процессора и позволяет выравнивать внешнюю (по интерфейсу) и внутреннюю скорость накопителей.

Внешняя скорость передачи данных определяется стандартом интерфейса – до 1,5 Гбит/с (SATA 1.0), 3 Гбит/с (SATA 2.0), 6 Гбит/с (SATA 3.0).

Пример 1. Определение среднего времени чтения или записи сектора диска со следующими параметрами:

скорость вращения (RPM) – 15000 об/мин;

среднее время поиска, заявленное производителем –

3,2 мс;

скорость передачи данных – 128 МБайт/с.

Решение. Среднее время доступа к диску складывается из времени поиска, задержки вращения диска на 0,5 оборота и времени, затрачиваемом на перенос данных.

Следовательно, t=, приводим

к единой единице измерения – мс. t=3,2+2,0+0,004=5,2 мс.

Пример 2. Оценка общего времени чтения файла объемом 128 Кбайт при последовательной и произвольной записи данных для диска со следующими параметрами:

среднее время поиска – 20 мс; среднее время перехода с дорожки на дорожку – 1 мс; максимальное время поиска – 40 мс;

скорость переноса данных – 1 МБайт/с; информационная емкость сектора – 512 Байт; количество секторов на дорожке – 32.

Решение. При последовательной организации данных на диске файл размещается в последовательных секторах на

54

восьми соседних дорожках (8 дорожек х 32 сектора/дорожку = 128 Кбайт/0,5 Кбайт/сектор).

Для начала чтения необходимо, чтобы первый сектор файла оказался под головкой, и головка нашла нужную дорожку. Задержка доворота может быть определена как время, затрачиваемое на пол-оборота. За один оборот переносится 16 Кбайт, и задержка составит 8 Кбайт/1 Мбайт/с = 8 мс. Среднее время поиска известно. Время доступа к первому сектору составит 28 мс. На считывание последующих 32 секторов будет затрачено 16 мс, так как доворота диска не потребуется. Для перехода на следующую дорожку потребуется 1 мс. Получаем:

При произвольной (случайной) организации данных на диске для поиска каждого сектора потребуется 28 мс (как в первый раз), на считывание сектора затрачивается 0,5 мс. Суммируя по всем 256 секторам получаем 7296 мс.

Как видно из представленного решения, производительность памяти падает в 33 раза при неэффективной организации файла данных на диске.

Флеш-накопитель относится к классу EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) —

электрически стираемое перепрограммируемое постоянное ЗУ. Эта полупроводниковая память особого типа является энергонезависимой, как и НЖМД, но ее время доступа на 2-3 порядка ниже, поскольку не имеет механических частей, кроме того, меньше по габаритам, энергоэффективная и ударопрочная.

55

Носитель данных флеш-памяти реализуется на одноуровневых ячейках (SLC), каждая из которых имеет два состояния, на трехуровневых (TLC) – биты хранятся в восьми возможных состояниях и многоуровневых (MLC).

Для структурирования ячеек используются две техноло-

гии NOR (Not OR) и NAND (Not AND). Флеш-память NOR

обеспечивает возможность высокоскоростного произвольного доступа. В отличие от флеш-памяти NAND, флеш-память NOR позволяет считывать данные до одного байта.

Флеш-память NAND выполняет считывание и запись в высокоскоростном последовательном режиме, оперируя данными небольшого блокового размера (страницами), но не может считывать отдельные байты [11].

Выделяют три разновидности флеш-накопителей:

– твердотельные флеш-накопители (SSD – solid-state drive) для внутренней установки, используются как альтернатива жесткому диску, поддерживают интерфейс SATA (рис. 24).

Рис. 24. Архитектура накопителей на основе флеш-памяти

56

–внешние флеш-накопители со встроенным USBконтроллером;

–сменные карты памяти для электронных устройств

(CompactFlash Type I (CF I)/Type II (CF II), Memory Stick (MS Pro, MS Duo), SecureDigital (SD), SD High Capacity (SDHC); miniSD, microSD, xD-Picture Card (xD), MultiMedia Card (MMC)).

SSD-накопители реализуются на флеш-памяти типа NAND, структура представлена на рис. 25. Запись осуществляется пакетами по 4 Кбайт, которые объединяются блоками по 128 страниц (512 Кбайт). Чтение и запись возможны страницами по 4 Кбайт, а удаление данных – только блоками по 512 Кбайт, причем для записи на уже использованную страницу ее предварительно необходимо очистить. Поэтому запись осуществляется последовательно на следующую по порядку свободную страницу флэш-памяти. SSD-контроллер логическому адресу записываемой страницы (LBA) сопоставляет физический адрес (PBA). Если же данные перезаписываются, то контроллер SSD-диска выделяет следующие свободные страницы памяти, а в таблице соответствия логических и физических адресов помечает использованные ранее страницы, как содержащие устаревшую информацию.

Рис. 25. Структура SSD-накопителя

57

Флеш-накопители характеризуют:

–скоростью последовательного чтения/записи, МБайт/с;

–максимальным количеством операций произвольного/случайного чтения/записи блоками по 4 КБайт (IOPS – input/output operations per second).

В отличии от жестких дисков и DRAM, ячейки флешпамяти подвержены износу. Ресурс колеблется от 10 до 100 тысяч циклов записи. Для повышения надежности к флешпамяти добавляют контроллер для разнесения зоны записи путем изменения отображения блоков, многократно подвергавшихся записи, и их замены на реже используемые. Это приводит к снижению реального быстродействия.

5.2.Задания и рекомендации по их выполнению Задание 1. Охарактеризуйте накопитель на жестких

магнитных дисках исследуемого ПК по плану:

Емкость, ТБайт

Скорость вращения, оборотов в минуту (RPM)

Объем (кэш) буфера, МБайт

Задержка доворота, мс

Время доступа, мс

Интерфейс подключения

Скорость передачи данных, ГБайт/с

Поддержка NCQ

Указания к выполнению

Для получения достоверной информации скачайте спецификацию (техническое описание) устройства на сайте производителя (три ведущих производителя WESTERN DIGITAL www.wdc.com, TOSHIBA www.toshiba-storage.com, SEAGATE www.seagate.com).

Время доступа рассчитайте как сумму значений среднего времени поиска и задержки поворота (0,5 времени одного оборота диска) или используйте значение, указанное произво-

дителем (average latency).

58

Скорость передачи данных следует взять из спецификации интерфейса.

Технология NCQ (Native Command Queuing — аппарат-

ная установка очерёдности команд) позволяет выполнять несколько запросов одновременно и оптимизировать их порядок, что приводит к увеличению быстродействия при произвольном чтении.

Задание 2. Охарактеризуйте различные виды флешпамяти и внесите результаты в таблицу:

Для получения информации скачайте спецификацию запоминающего устройства с сайта производителя.

Задание 3. Сравните показатели быстродействия накопителя на жестких дисках и флеш-накопителя в различных режимах работы:

1)линейного чтения;

2)случайного чтения;

3)последовательной записи;

4)случайной записи.

Указания к выполнению

Для проведения измерений воспользуйтесь программой

CrystalDiskMark на основе открытого кода

(www.crystalmark.info). Бенчмарк CrystalDiskMark позволяет выполнять измерение скорости передачи данных чтения/записи выбранного объема внешних накопителей в различных режимах, которым соответствуют четыре показате-

ля (рис. 26).

Показатель (Seq) – скорость линейного (последовательного) чтения данных. В этом режиме почти все типы накопи-

59