Лекция 8 Устройства хранения данных

Лекция 8. Устройства хранения данных

Вопросы:

1. Общая характеристика устройств хранения данных.

2. Принципы хранения информации.

3. Хранение информации на магнитных дисках.

Литература: 1. Гук. М. Аппаратные средства IBM PC. Питер, 2005, с. 510-545.

1. Общая характеристика устройств хранения данных.

Утройства хранения данных относятся к внешней памяти компьютера — они пзволяют сохранять информацию для последующего ее использования независимо от состояния (включен или выключен) компьютера. В устройствах хранения данных могут быть реализованы различные физические принципы хранения информации — магнитный, оптический, электронный в любых их сочетаниях. Внешняя память принципиально отличается от внутренней (оперативной) способом доступа к этой памяти процессора (исполняемой программы). Устройства внешней памяти оперируют блоками информации, но никак не байтами или словами, как, например, оперативная память. Эти блоки обычно имеют фиксированный размер, кратный степени числа 2. Блок может быть переписан из внутренней памяти во внешнюю или обратно только целиком, и для выполнения любой операции обмена с внешней памятью требуется специальная процедура (подпрограмма). Процедуры обмена с устройствами внешней памяти привязаны к типу устройства, его контроллеру и способу подключения устройства к системе (интерфейсу).

По методу доступа к информации устройства внешней памяти разделяются на устройства с прямым (или непосредственным) и последовательным доступом.

Прямой доступ подразумевает возможность обращения к блокам по их адресам в произвольном порядке. Традиционными устройствами с пря­мым доступом являются дисковые накопители, и часто в понятие «диск», или «дисковое устройство» вкладывают значение «устройство внешней памяти прямого доступа». Так, например, виртуальный диск в ОЗУ и электрон­ный диск на флэш-памяти отнюдь не имеют круглых, а тем более вращающихся деталей.

Традиционными устройствами с последовательным доступом являются накопители на магнитной ленте, они же стримеры. Здесь каждый блок информации тоже может иметь свой адрес, но для обращения к нему уст­ройство хранения должно сначала найти некоторый маркер начала ленты (тома), после чего последовательным холостым чтением блока за блоком дойти до требуемого места и только тогда производить собственно операции обмена данными. Конечно, каждый раз возвращаться на начало ленты необязательно, однако необходимость последовательного сканирования блоков (вперед или назад) — неотъемлемое свойство устройств последовательного доступа. Несмотря на очевидный проигрыш во времени доступа к требуемым данным, ленточные устройства последовательного доступа в качестве внешней памяти находят применение для хранения очень больших массивов информации. В отличие от них устройства прямого доступа — диски самой различной природы — являются обязательной принадлежностью подавляющего большинства компьютеров.

Главная характеристика устройств — емкость хранения, измеряемая в килобайтах, мегабайтах, гигабайтах и терабайтах (Кбайт, Мбайт, Гбайт, Тбайт, или в английской транскрипции КВ, МВ, СВ, ТВ, или, еще короче — К, М, С, Т). Здесь, как правило, приставки кило-, мега-, гига-, тера- имеют десятичные значения — 10³, 10⁶, 10⁹ и 10¹² соответственно. В других подсистемах компьютера, на­ример при определении объема ОЗУ, ПЗУ и другой внутренней памяти, эти же приставки чаще применяют в двоичных значениях 2'°, 2²⁰, 2³⁰ и 2⁴⁰ соответственно, при этом 1 Кбайт = 1024 байт, 1 Мбайт = 1024 Кбайт, 1 Гбайт = 1024 Мбайт, 1 Тбайт = 1024 Гбайт. Этими разночтениями объясняются различия значений емкости одного и того же устройства, полученных из разных источников. «Двоичные» кило-, мега-, гига-, тера- более «увесисты», поэтому емкость устройства, выраженная в десятичных единицах, будет выглядеть внушительнее. Так, например, объем памяти в 528 Мбайт (десятичных) составляет 504 Мбайт (двоичных).

Устройства внешней памяти могут иметь сменные или фиксированные носители информации. Применение сменных носителей позволяет хранить неограниченный объем информации, а если носитель и формат записи стандартизованы, то они позволяют еще и обмениваться информацией между компьютерами. Существуют устройства с автоматической сменой носителя - ленточные карусели, дисковые устройства JuкеВох. Эти достаточно дорогие устройства применяют в мощных файл-серверах. Для настольных машин имеются накопители СD-RОМ с несколькими дисками (СD-сhаngеr), сменяемыми автоматически.

Важнейшими общими параметрами устройств являются время доступа, скорость передачи данных и удельная стоимость хранения информации.

Время доступа (ассеs time) определяется как усредненный интервал от выдачи запроса на передачу блока данных до фактического начала передачи. Дисковые устройства имеют время доступа от единиц до сотен миллисекунд. Для электронных устройств внешней памяти время доступа определяется быстродействием используемых микросхем памяти и при чтении составляет доли микросекунд, причем запись может продолжаться значительно дольше, что объясняется природой энергонезависимой электронной памяти. Для устройств с подвижными носителями основной расход времени имеет место в процессе позиционирования головок (seek time — время поиска) и ожидания подхода к ним требуемого источника носителей (latency — скрытый период). Для дисковых и ленточных устройств принципы позиционирования различны, и различные составляющие процесса поиска.

Скорость записи и считывания определяется как отношение объема записываемых или считываемых данных ко времени, затрачиваемому на эту операцию. В затраты времени входит и время доступа, и время передачи данных. При этом оговаривается характер запросов — линейный или случайный, что сильно сказывается на величине скорости из-за влияния времени доступа. При определении скорости линейных запросов чтения-записи производится обращение к длинной цепочке блоков с последовательным нарастанием адреса. При определении скорости случайных запросов чтения-записи - соседние запросы разбросаны по всему носителю. Для современных многозадачных ОС характерно чередующееся выполнение нескольких потоков запросов, и в каждом потоке высока вероятность последовательного нарастания адреса.

Скорость передачи данных определяется как производительность обмена данными, измеряемая после выполнения поиска данных. Однако в способе измерения этого параметра возможны разночтения, поскольку современные устройства имеют в своем составе буферную память существенных размеров. Скорости обмена буферной памяти с собственно носителем (внутренняя скорость) и с внешним интерфейсом могут существенно различаться. Если скорость работы внешнего интерфейса ограничивается быстродействием электронных схем и достижимой частотой передаваемых сигналов, то внутренняя скорость более жестко ограничивается возможности электромеханических устройств, (скоростью движения носителя и плотностью записи). При измерениях скорости передачи на небольших объемах пересылок проявится ограничение внешнего интерфейса буферной памяти, при средних объемах — ограничение внутренней скорости, а при больших объемах проявится еще и время поиска последующих блоков информации. Бывает, что в качестве скорости передачи данных указывают лишь максимальную скорость интерфейса, а о внутренней скорости можно судить по частоте вращения дисковых носителей и числу секторов на треке.

Определение удельной стоимости хранения информации для накопителей с фиксированными носителями пояснения не требует. В случае сменных носителей этот показатель интересен для собственно носителей, но не следует забывать и о цене самих приводов, которую тоже можно приводить к их емкости.

По отношению к корпусу компьютера устройства могут быть внутренними и внешними.

Внутренние устройства помещаются в специальные трех- или пятидюймовые отсеки корпуса компьютера и питаются от его же блока питания. В описании корпусов компьютеров отсеки также подразделяются на внешние и внутренние, но они различаются лишь тем, может ли передняя панель устройства, установленного в отсек, выходить на лицевую панель корпуса или нет.

Внешние устройства помещают в отдельный корпус, а питаются они от собственного блока питания или перехватывают питание +5 В от разъе­ма клавиатуры компьютера. Внешнее исполнение имеют как малогабаритные портативные устройства, так и особо крупные дисковые массивы. Сами приводы для внешних и внутренних устройств обычно имеют одинаковый конструктив одного из распространенных форматов.

2. Принципы хранения информации.

Энергонезависимое хранение информации может осуществляться на различных физических принципах. Раньше всех начали применять магнитный способ хра­нения, где запись нуля или единицы изменяет направление намагниченности эле­ментарной хранящей ячейки. Устройства хранения на магнитных сердечниках состояли из матрицы ферритовых колец (по кольцу на каждый хранящийся бит), пронизанных обмотками (адреса, записи и считывания).

Шины адрес ячейки

Шины считывания информации

Рис. 8.1. Матрица ферритовых колец памяти.

Считывание выполня­лось импульсом тока, пытающимся намагнитить ячейку в определенном направ­лении. Если ячейка была в противоположном состоянии, то эта попытки наводи­ла импульс в обмотке считывания. Устройства ферритовой памяти были громоздкими, но сугубо статическими — в них не было движущихся частей. В устройствах с подвижным носителем хранящие ячейки движутся отно­сительно головок записи-считывания и в зависимости от направления намагни­ченности вызывают в головке считывания импульс определенной полярности. На таком принципе строились и магнитные барабаны первых ЭВМ, и магнит­ные диски, и накопители на магнитной ленте.

Оптические устройства хранения основаны на изменении отражающей или пропускающей способности участков носителей. Носителями для первых оптических устройств были фотопленка, перфолента, перфокарты. Теперь оптические устройства хранят информацию на дисках с ячейками микроскопических размеров, считываемых лазерным лучом. В конце 2000 года появилось сообщение о новом типе оптических дисков FMD (Fluorescent Multilayer Disk = флуоресцентный многослойный диск), разработан­ном компанией Constetlation 3D Inc. (СЗD). В этих дисках информацию несут частички флуоресцирующего вещества, вкрапленные в слои прозрачного плас­тика. В отличие от СD/DVD, где информативна степень отражениz лазерного луча от текущей точки поверхности, здесь воспринимается флуоресцентное све­чение, вызванное этим лучом. Оптическая система привода позволяет фокуси­роваться лишь на требуемом слое. Поскольку слои прозрачны, их число может быть значительно увеличено без ощутимых потерь сигнала. Для начала предла­гается 12-слойный диск емкостью 50 Гбайт со скоростью считывания до 1 Гбит/с. Пока что разработана технология печати дисков с матриц (RОМ), но уже прора­батывается и технология однократно записываемых дисков. Первые сообщения о проекте «трехмерных дисков» появились еще в 1997 году.

Из электронных устройств распространение получила флэш-память, сочета­ющая довольно высокую плотность хранения с теперь уже приемлемой ценой. Флэш-память является статической и имеет очень высокое быстродействие счи­тывания, но не очень быструю процедуру записи, причем для перезаписи должен предварительно стираться целый блок ячеек (современные микросхемы состоят из набора блоков). В режиме хранения на флэш-память питание можно не подавать — энергопотребление нулевое. В режиме чтения потребление доста­точно малое, но стирание и запись требуют энергозатрат.

Устройства хранения на флэш-памяти выпускаются в разнообразных конст­руктивных исполнениях. Первые «статические диски» выполнялись в виде уст­ройств формата 3,5" с интерфейсом АТА. Затем появились флэш-карты с интер­фейсом РС Card (РСМСIА), Card Bus, которые используются в блокнотных ПК, а также в ряде бытовых электронных устройств, например в цифровых фотока­мерах. Поскольку процессы записи-считывания такого «диска» не связаны с ме­ханическими перемещениями, его производительность (особенно по чтению) на несколько порядков превышает производительность самых лучших жестких дис­ков. Флэш-память относится к классу электрического стирания, но использует особую технологию построения запоминающих ячеек. Стирание производится сразу для целой области ячеек или полностью для всей микросхемы.

Каждая ячейка флэш-памяти состоит всего из одного униполярного (полевого) транзистора. Чистые (стертые) ячейки содержат единицу во всех битах; при записи (программировании) нужные ячейки обнуляются. Возможно последующее программирование и уже записанных ячеек, но при этом можно обнулять единичные биты , а не наоборот. В единичное состояние ячейки переводятся только при стирании. Стирание производится для всей матрицы ячеек; стирание одиночной ячейки невозможно.

3. Хранение информации на магнитных дисках.

Дисковые накопители имеют своей основой механизм, схематически представ­ленный на рис. 8.2.

Вращение диска

Головка записи-считывания

Поиск трека

Рис. 8.2. Устройство дискового накопителя

Носителем информации является диск (один или несколько), на который нанесен слой вещества, способного намагничиваться (чаще всего ферромагнитный). Хранимую информацию представляет состояние намагниченности отдельных участков рабочей поверхности. Диски вращаются с помощью двигателя шпинделя, обеспечивающего требуемую частоту вращения в рабочем режиме. На диске имеется индексный маркер, который, проходя мимо специального датчика, отмечает начало каждого оборота диска. Информация на диске располагается на концентрических треках (дорожках), нумерация которых начинается с внешнего трека (трек 00). Каждый трек разбит на секторы фиксированного размера. Сектор и является минимальным блоком информации, который может быть записан на диск или считан с него. Нумерация секторов начинается с единицы и привязывается к индексному маркеру. Каждый сектор имеет служебную область, содержащую адресную информацию, контрольные коды и некоторую другую информацию, и область данных, размер которой традиционно составляет 512 байт. Если накопитель имеет несколько рабочих поверхностей (на шпинделе может быть размещен пакет дисков, а у каждого диска могут использоваться обе поверхности), то совокупность всех треков с одинаковыми номерами составляет цилиндр. Для каждой рабочей поверхности в накопителе имеется своя головка, обеспечивающая запись и считывание информации. Головки нумеруются, начиная с нуля. Для того чтобы произвести элементарную операцию обмена — запись или чтение сектора, шпиндель должен вращаться с заданной скоростью, блок головок должен быть подведен к требуемому цилиндру, и только когда нужный сектор подойдет к выбранной головке, начнется физическая операция обмена данными между головкой и блоком электроники накопителя. Кроме того, головки считывают служебную информацию (адресную и сервисную), позволяющую определить и установить их текущее местоположение. Для записи информации на носитель используюся различные методы частотной модуляции, позволяющие кодировать двоичную информацию, намагничивая зоны магнитного слоя, проходящие под головкой. Перемагничивание зоны происходит лишь в том случае, если магнитное поле в ней преодолеет некоторый порог Н_с (коэрцитивную силу), свойственный данному носителю,

в

Намагничивание

Размагничивание

+в_r

-Н₂ -н_с +н_с

Н₁ н

-в_r

где

При считывании намагниченные зоны наводят в головке электрический сигнал, величина напряжения которого равна:

,

где - скорость вращения диска намагниченного величиной;

w – число обмоток в считывающей головке;

S – поперечное сечение магнитного материала (зона записи), из которого декодируется ранее записанная информация.

Контроллер накопителя выполняет сборку и разборку блоков информации (секторов или целых треков), включая формирование и проверку контрольных кодов, осуществляет модуляцию и демодуляцию сигналов головок и управляет всеми механизмами накопителя.

Несмотря на кажущуюся простоту конструкции записать и потом достоверно считать информацию с диска не так-то просто. Для записи данных необходимо сформировать последовательный код, который должен быть самосинхронизирующимся:

при последующем считывании из него должны извлекаться и данные, и синхросигнал, что позволяет восстановить записанную цепочку битов (этим занимается сепаратор данных — узел дискового контроллера).

Кроме того, напомним, что индуктивные считывающие головки воспринимают только факты изменения намагниченности участков трека. Также учтем, что физическое исполнение — магнитные свойства носителя, конструкция головок, скорость движения, высота расположения головок и т. п. — задает предельно достижимую плотность изменения состояния намагниченности, которую хотелось бы использовать максимально эффективно. Эта плотность измеряется в количестве зон с различным состоянием намагниченности на дюйм длины трека и в современных накопителях достигает десятков тысяч BPI (Bit Per Inch = бит на дюйм). Для записи на диск применяют различные схемы кодирования, отличающиеся по сложности реализации и эффективности работы. В первых моделях накопителей использовалась частотная модуляция FM. Здесь для каждого бита данных на треке отводится ячейка с окнами для представления бита и синхросигнала, что весьма неэффективно расходует предел плотности намагниченности. Более эффективна модифицированная частотная модуляция MFM, при которой синхросигнал вводится только в процессе кодирования следующих подряд нулевых битов, что позволяет удвоить плотность записи при той же плотности изменения потока. Обе схемы (FM и MFM) являются схемами с побитным кодированием. Более эффективны схемы группового кодирования, при которых цепочка байтов данных (сектор) предварительно разбивается на группы по несколько битов, кодирующихся по определенным правилам. Схема кодирования RLL (Run Length Limited), как это следует из названия (работа в ограниченной длине), построена на ограничении длины неперемагничиваемых участков трека. Наиболее популярна схема RLL 2.7 — в ней число неперемагничиваемых ячеек лежит в диапазоне от 2 до 7. Для накопителей с высокой плотностью используется схема RLL 1.7, обеспечивающая большую надежность считывания.

Из-за того что линейная скорость носителя относительно головки на внутренних цилиндрах меньше, чем на внешних, для обеспечения нормальной записи при меньшей скорости приходится применять предварительную компенсацию записи. Для накопителей со встроенным контроллером этот параметр игнорируется, поскольку они сами «знают», как работать со своими дисками.

Информация на дисках записывается и считывается по-секторно, и каждый сектор имеет определенную структуру (формат). В заголовке имеется поле идентификатора, включающее номер цилиндра, головки и собственно сектора. В этом же идентификаторе может содержаться и пометка о дефектности сектора, служащая указанием на невозможность его использования для хранения данных. Достоверность поля идентификатора проверяется с помощью контрольного кода заголовка. Заголовки секторов записываются только во время операции низкоуровневого форматирования, причем для всего трека сразу. При обращении к сектору по чтению или записи заголовок только считывается. Поле данных сектора отделено от заголовка небольшим зазором, необходимым для того, чтобы при операции записи головка (точнее, обслуживающая ее схема) могла успеть переключиться из режима чтения (заголовка) в режим записи (данных). Сектор завершается контрольным кодом поля данных — контроль с помощью циклического избыточного кода) или ЕСС обнаружением и коррекцией ошибок. СКС-код позволяет только обнаруживать ошибки, а ЕСС-код — еще и исправлять ошибки небольшой кратности. В межсекторных промежутках может размещаться сервоинформация, служащая для точного наведения головки на трек.

Современные жесткие диски внутренне могут быть организованы несколько иначе, чем в вышеописанной схеме. Индексные датчики теперь не используются — начало трека определяется из считываемого сигнала. Физическая разбивка на секторы (по 512 байт данных, которым предшествует идентификатор) может отсутствовать — группа секторов трека представляет собой единый битовый поток, защищенный избыточным кодированием, из которого вычисляется блок данных, находящийся в требуемой позиции (так называемый ID-less format). Для коррекции данных применяются избыточные коды Рида-Соломона, позволяющие большинство ошибок исправлять «на лету», не требуя повторного считывания.блока данных и дополнительного оборота диска.

Для того чтобы диск можно было использовать для записи и считывания информации, он должен быть отформатирован. Форматирование может разделяться на два уровня.

1. Низкоуровневое форматирование (LLF— Low Level Formatting) — форматирование заголовков и пустых (расписанных заполнителем) полей данных всех секторов всех треков. При форматировании выполняется и верификация (проверка читаемости) каждого сектора, и в случае обнаружен неисправимых ошибок считывания в заголовке сектора делается помет о его дефектности.

2. Форматирование верхнего уровня заключается в формировании логической структуры диска (таблиц размещения файлов, корневого катале и т. п.,), соответствующее файловой подсистеме применяемой ОС. Эта процедура выполнима только после низкоуровневого форматирования.

Итак, структура трека — последовательность секторов — задается при его форматировании, а начало трека определяется контроллером по сигналу от и индексного датчика или иным способом.

Нумерация секторов, которая задается контроллеру при форматировании, может быть достаточно произвольной — важно лишь, чтобы все секторы трека имели уникальные номера в пределах допустимого диапазона.

При обращении к сектору он ищется по идентификатору, а если за оборот диска (или за несколько оборотов) сектор с указанным номером не будет найден, контроллер зафиксирует ошибку Sector not found (сектор не найден). Забота о поиске сектора по его заголовку, помещение в его поле даннь записываемой информации, снабженной контрольным кодом, а также считывание этой информации и ее проверка с помощью СКС- или ЕСС-кода лежит на контроллере накопителя. И конечно же, контроллер управляет поиском затребованного цилиндра и коммутацией головок, выбирая нужный трек.

9