6.5 Внешняя память

Как уже отмечалось, ОП машины строится на полупроводниковых элементах, которые «сохраняют» информацию только, если на них подается питание. При включении машины команды и данные загружаются в ОП из внешней памяти по командам BIOS. В качестве внешних запоминающих устройств наиболее распространены накопители на жестких магнитных (НЖМД) и оптических (НОД) дисках. Емкость памяти таких накопителей составляет несколько десятков и сотен гигабайт (современные НЖМД для персональных компьютеров имеют емкость свыше 100 Гбайт). Информация в этих накопителях записывается на поверхности диска подвижными головками записи-считывания в виде «отпечатков», образующих концентрические дорожки. Сами диски установлены на шпинделе, вращающемся с постоянной скоростью, обычно составляющей 5400, 7200, 10 000 об./мин и выше. В настоящее время большинство накопителей для персональных компьютеров обладают скоростью вращения дисков 7200 об./мин.

На каждой дорожке может располагаться несколько информационных блоков, как правило, фиксированного размера; эти блоки принято называть секторами. Обычно в секторе хранится 512 байт данных [в системе NTFS размер поля данных сектора соответствует 2048 байтам, в которых размещаются 1024 символа], а также служебная информация. Запись и считывание информационного блока производится в тот момент, когда начало соответствующего сектора оказывается напротив головки. Задержка на поиск дорожки и ожидание, пока она окажется повернутой на угол, соответствующий началу сектора, носит название времени доступа. Время доступа зависит от системы позиционирования головки, скорости вращения дисков, последовательности размещения блоков (чередование секторов, смещение дорожек), наличия или отсутствия дефектных дорожек и т.д. Это время зависит от текущего положения головок относительно дисков и его среднее значение составляет от единиц до десятков миллисекунд.

После того, как нужный блок будет найден, производится его чтение и передача в ОП. Скорость передачи составляет от 1 до 8 Мбайт/с. Она зависит от размера блока, скорости вращения диска, плотности записи на дорожке, максимальной скорости передачи по шине и т.д. Очевидно, что время доступа превышает интервал между чтением или записью последовательных байтов блока на несколько порядков, т.е. основное время тратится не на передачу информации, а на поиск нужного сектора.

Накопители на магнитных дисках принято называть устройствами памяти с прямым доступом, так как при поиске сектора вначале осуществляется перемещение магнитной головки на соответствующую дорожку и только после этого производится поиск нужного сектора, для чего последовательно просматриваются все сектора на этой дорожке.

Для уменьшения затрат времени на поиск нужной информации используют традиционные методы буферизации и распараллеливания. Метод буферизации состоит в том, что в накопитель устанавливают буферное ЗУ, называемое дисковым кэшем. В этот кэш при чтении нужной нам информации из одного сектора диска помещают информацию из всех его секторов (или ряда последовательных секторов), находящихся на той же дорожке. На это уходит время, равное длительности одного оборота дисков. Если теперь потребуется информация из этих секторов, то она уже окажется прочитанной с диска в кэш и будет готова для передачи в ОП, т.е. не нужно будет тратить время на дополнительный оборот диска для ее поиска. Локальность программ и данных создает очень высокую вероятность обращений к диску за информацией, находящейся в смежных секторах. Иногда «дисковый кэш» организуют непосредственно в ОП, выделяя для этого специальную область. Такой способ уменьшения времени поиска не требует дополнительной аппаратуры, но сопряжен с затратами времени на передачу блоков в ОП и с дополнительными расходами оперативной памяти.

При операциях записи информационный блок вначале переносится в дисковый кэш, а лишь затем (после выполнения соответствующих операций по поиску нужного сектора) на диск. Обычно его копия сохраняется в дисковом кэше до тех пор, пока не будет вытеснена другой. Запись блока в дисковый кэш может производиться только на «свободное» место, т.е. на место информационного блока, копия которого уже сохранена на диске.