Архитектура ЭВМ. Курс лекций Томск 2013 2 Оглавление
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
с прямым доступом. Подавляющее большинство остальных периферийных устройств являются устройствами с последовательным доступом, в которых для доступа к требуемой порции информации необходим просмотр всех предыдущих порций (от начала или конца носителя). 10.3.1.2. Характеристики жестких дисков Общие характеристики • Интерфейс — набор, состоящий из линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил обмена. • Физический размер (форм-фактор) - современные накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер либо 3.5", либо 2.5". Последние чаще применяются в ноутбуках. • Надёжность — определяется как среднее время наработки на отказ. • Сопротивляемость ударам — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии. • Скорость вращения шпинделя — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10000 и 15000 об./мин. (серверы и высокопроизводительные рабочие станции). Увеличению скорости вращения шпинделя в винчестерах для ноутбуков препятствует гироскопический эффект, влияние которого пренебрежимо мало в неподвижных компьютерах. Производительность диска зависит от следующих временных характеристик: 1. Время поиска tsk – время, требуемое для перемещения с произвольной дорожки до заданной дорожки, но без готовности чтения; среднее время поиска между дорожками, взятыми наугад, составляет от 5 до 10 мс, а поиск между смежными дорожками — менее 1 мс. 2. Время установки головки tset – время, необходимое для стабилизации вибраций головки в конце этапа поиска. 3. Время задержки из-за вращения диска tr (время ожидания сектора) – это время, требуемое головке чтения для поворота от произвольного сектора до требуемого сектора на той же дорожке. Большинство жестких дисков, используемых в современных компьютерах, имеют скорость вращения 7200 об/мин, в ноутбуках часто применяются накопители со скоростью 5400 об/мин. Таким образом, типовое время задержки из-за вращения диска составляет около 4 мс. 4. Время произвольного доступа ta – среднее время, за которое винчестер выполняет операцию позиционирования головки чтения/записи на произвольный участок магнитного диска, то есть время, необходимое для перемещения головки чтения с текущей дорожки до начала считывания данных из заданного сектора. Представляет собой сумму трех величин: t a = t sk + t set + t r 69 Как правило, минимальным временем обладают диски для серверов, самым большим — диски для портативных устройств. Для сравнения, у SSD-накопителей этот параметр меньше 1 мс. 5. Время передачи информации зависит от плотности записи и скорости вращения. Характеристики организации компонентов хранения информации 1. Форматированная емкость – это объем накопителя, доступный для хранения пользовательских данных после форматирования накопителя. Ёмкость жёстких дисков (с форм-фактором 3,5 дюйма) близится к 5 Тб. При обозначении емкости жестких дисков производители используют величины, кратные 1000, т.е. 1 ГБ = 1,000,000,000 байт. 2. Линейная плотность записи определяет количество битовых ячеек на единицу длины дорожки жесткого диска и обычно измеряется в битах/дюйм (рис.45.). Рис.45. Компоненты хранения информации Под шагом дорожек подразумевают расстояние между центрами смежных дорожек. Ширина дорожки зависит от величины головки и от точности ее перемещения. Размеры головок чрезвычайно малы, у современных накопителей они имеют порядок 30-50 нм, что в несколько тысяч раз меньше толщины человеческого волоса. 3. Плотность дорожек зависит от ширины и шага дорожек и определяет количество дорожек на пластине. Измеряется в дорожках на дюйм. 4. Поверхностная плотность записи определяется как величина, обратная площади битовой ячейки, и имеет размерность Гб/дюйм 2 . Очевидно, что поверхностная плотность записи является произведением линейной плотности и плотности дорожек. Одна из основных целей исследований магнитной записи – повышение одновременно линейной плотности и плотности дорожек для достижения максимальной поверхностной плотности записи. Повышение поверхностной плотности записи приводит к увеличению емкости накопителя, сокращению удельной стоимости хранения данных и уменьшению времени доступа. Очевидно, что приводимые характеристики геометрии диска впрямую зависят от расстояния между головкой и диском. Аналогичный эффект происходит при чтении: чем ближе текст поднести к глазам, тем меньший размер шрифта доступен для распознания. В современных дисках это расстояние составляет около 10 нм (1нм = 10 -9 м). Дорожка n Дорожка n+1 W L H W – ширина дорожки L – длина битовой ячейки H – шаг дорожки 70 Важнейшее условие достижения такой величины зазора (кроме наличия соответствующих технологий) – полное отсутствие влияния внешней среды (пыль, влага). Поэтому винчестеры герметично закрываются в вакуумную упаковку. Некоторые из остальных важных характеристик 1. Скорость передачи данных – количество записанных/считанных бит в единицу времени, которые обрабатываются головкой. Она зависит от линейной плотности записи и скорости вращения дисков и различается на внешнем и внутреннем радиусе пластины. 2. Объём буфера - промежуточной памяти, предназначенной для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. Варьируется от 8 до 128 Мб. При огромных скоростях вращения пластин диска и высокой плотности записи информации контроллер жёсткого диска не успевает обрабатывать читаемую головками информацию (внутренняя скорость чтения велика), поэтому данные первоначально сбрасываются в локальную оперативную память диска, откуда затем постепенно извлекаются контроллером. Замечание. Данный буфер не следует ассоциировать с Кэшем диска. При выборе жесткого диска для обычного настольного ПК полезно ориентироваться на такие потребительские качества, как: • тишина работы (низкий акустический шум), • малое энергопотребление (нагрев) в работе, • хорошая ударостойкость, • надежность. Последний, очень важный критерий, потребитель обычно выясняет по информации от более опытных потребителей, потому что фактически не существует объективных независимых источников с открытой и достаточно достоверной статистикой. По остальным критериям выбора возможно ориентироваться объективно. 10.3.1.3. Методы записи информации на диск Метод продольной записи, при использовании которого биты информации записываются с помощью маленькой головки, которая, проходя над поверхностью вращающегося диска, намагничивает миллиарды горизонтальных дискретных областей - доменов. При этом вектор намагниченности домена расположен продольно, т.е. параллельно поверхности диска. Каждая из этих областей является логическим нулём или единицей, в зависимости от намагниченности. Максимально достижимая при использовании данного метода плотность записи составляет около 23 Гбит/см 2 . В настоящее время происходит постепенное вытеснение данного метода более прогрессивными технологиями. Метод перпендикулярной записи, при котором биты информации сохраняются в вертикальных доменах. Это позволяет использовать более сильные магнитные поля и снизить площадь материала, необходимую для записи 1 бита. Плотность записи у современных образцов - более 60 Гбит/см 2 . Жёсткие диски с перпендикулярной записью доступны на рынке с 2005 года. Главное отличие между данными технологиями заключается в направлении намагниченности доменов - в случае параллельной записи оно параллельно плоскости диска, а в случае перпендикулярной, соответственно, перпендикулярно. Причина более высокой плотности перпендикулярной записи объясняется не какими-то внутренними характеристиками одного домена, а силами взаимодействия между соседними ячейками. Среди экспериментальных типов записи можно отметить: 71 Метод тепловой магнитной записи или термоассистируемую магнитную запись , самую перспективную и активно разрабатываемую. При использовании этого метода используется точечный подогрев диска, который позволяет головке намагничивать очень мелкие области его поверхности. После того, как диск охлаждается, намагниченность "закрепляется". В экспериментальных образцах, плотность записи достигает 150 Гбит/см 2 Эксперты оценивают предел плотности записи от 2,3 ÷ 3,1 Тбит/см 2 до 7,75 Тбит/см 2 Структурированные носители. В современных накопителях каждый магнитный домен состоит из нескольких десятков (70-100) мелких структурных элементов ("зерен"), каждое из которых теоретически способно выполнять функции домена и содержать в себе 1 бит информации. В результате появляется возможность увеличить размеры отдельного "зерна" и хранить единицу информации в меньшем количестве "зерен". Если же разработчикам удастся придумать материалы с однозернистыми "островами", то возможны результаты с плотностью до нескольких десятков и даже сотен терабит. Несмотря на то, что структурированная и термоассистируемая записи абсолютно различны, теоретически эти методы не противоречат друг другу. Другими словами, в будущем возможно появление накопителей, сочетающих оба подхода. Одной из главных сложностей разработки и структурированных и термоассистируемых носителей является дисковый материал, то есть разработка доступного вещества, удовлетворяющего требованиям обеих технологий. Концептуальная идея таких носителей крайне проста, однако перспективы ее практической реализации не понятны. 10.3.2. Оптические диски Оптические диски относятся к типу немагнитных внешних запоминающих устройств. Запоминание и поиск информации в этих устройствах реализуется оптическими средствами. Используемая техника основана на применении полупроводниковых лазеров и оптических систем, которые генерируют очень маленькую световую точку, фокусируемую на тонком слое среды для выборки бита информации; интенсивность отраженного луча соответствует значениям 0 или 1. Оптические запоминающие устройства обладают более высокой плотностью записи, чем магнитные устройства (за счет слежения за дорожкой и ее подстройкой оптической системы), и не требуют плотного контакта между носителем и считывающей головкой как в магнитном устройстве. Информация на оптическом диске записывается на одну спиралевидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью. Носитель в оптическом устройстве имеет неровную поверхность. Чувствительный слой находится под прозрачным защитным покрытием. Световой луч не фокусируется на наружной поверхности, поэтому пыль и царапины на поверхности не имеют никакого значения. Наиболее распространенными являются два типа носителей информации для оптических запоминающих устройств: 1. Дисковод CD (Compact Disk - компакт-диск), 2. Дисковод DVD (Digital Video Disk, цифровой видеодиск или в другой трактовке - Digital Versatile Disk, цифровой многоцелевой диск) является дальнейшим развитием лазерных технологий. Изначально компакт-диск был создан для хранения аудиозаписей в цифровом виде (известен как CD-Audio), однако в дальнейшем стал широко использоваться как носитель для хранения любых данных (файлов) в двоичном виде. Формат файлов на CD-ROM отличается от формата записи аудио-компакт-дисков и потому обычный проигрыватель аудио-компакт-дисков не может воспроизвести хранимую на них информацию, для этого требуется специальный привод (устройство) для чтения таких дисков (сейчас имеются практически в каждом компьютере). 72 Компакт-диск (CD-ROM) стал основным носителем для переноса информации между компьютерами (вытеснив с этой роли флоппи-диски – накопители на гибких магнитных дисках ). Сейчас он уступает эту роль более перспективным твердотельным носителям. Формат DVD по структуре данных бывают четырёх типов: • DVD-видео — содержат фильмы (видео и звук); • DVD-Audio — содержат аудиоданные высокого качества (гораздо выше, чем на аудио-компакт-дисках); • DVD-Data — содержат любые данные; • смешанное содержимое. В отличие от компакт-дисков, в которых структура аудиодиска принципиально отличается от диска с данными, в DVD используется одна файловая система UDF (возможно, с рядом ограничений — например, не допускается фрагментация файлов). Таким образом, любой из типов носителей DVD может нести любую из четырёх структур данных. Физически DVD может иметь одну или две рабочие стороны и один или два рабочих слоя на каждой стороне. От их количества зависит ёмкость диска (из-за чего 8-см диски получили названия DVD-1, -2, -3, -4, а 12-см диски — DVD-5, -9, -10, -14, -18, по принципу округления ёмкости диска в Гб до ближайшего сверху целого числа) Таким образом, DVD-диски имеют гораздо большую информационную емкость по сравнению с CD-дисками за счет: 1. использования лазеров с меньшей длиной волны, что позволяет размещать оптические дорожки более плотно, 2. информация на DVD-дисках может быть записана на двух сторонах, причем в два слоя на одной стороне. При работе CD и DVD устройств используется красный лазерный луч. Оптические устройства, основанные на работе с синим лазером, имеющим меньшую длину волну, чем красный, имеют значительно большую емкость (HP DVD и Blu-Ray). В настоящее время характеристики стираемых оптических носителей постоянно улучшаются, и эти устройства начинают конкурировать с винчестерскими дисками. 10.3.3. Flash-память Flash-память - это энергонезависимый тип памяти, позволяющий записывать и хранить данные в микросхемах, помещенных в миниатюрный корпус. Карты flash-памяти не имеют в своем составе движущихся частей, что обеспечивает высокую сохранность данных при их использовании в мобильных устройствах. Твердотельные накопители SSD SSD (solid-state drive) — компьютерное немеханическое запоминающее устройство на основе микросхем памяти. Различают два вида твердотельных накопителей: основанные на флеш-памяти (NAND SSD) и основанные на оперативной памяти (RAM SSD). NAND SSD. Накопители, построенные на использовании энергонезависимой памят и. До недавнего времени существенно уступали традиционным накопителям — жестким дискам — в скорости записи, но компенсировали это высокой скоростью поиска информации (начального позиционирования). Сейчас уже выпускаются твердотельные накопители со скоростью чтения и записи, во много раз превосходящие возможности жестких дисков. Характеризуются относительно небольшими размерами и низким энергопотреблением. RAM SSD. Накопители, построенные на использовании энергозависимой памяти (такой же, какая используется в ОЗУ персонального компьютера); характеризуются сверхбыстрыми чтением, записью и поиском информации. Основным их недостатком 73 является чрезвычайно высокая стоимость. Используются, в основном, для ускорения работы крупных систем управления базами данных и мощных графических станций. Такие накопители, как правило, оснащены аккумуляторами для сохранения данных при потере питания, а более дорогие модели — системами резервного и/или оперативного копирования. Преимущества 1. Отсутствие движущихся частей, отсюда: • Полное отсутствие шума (уровень шума — 0 дБ ); • Высокая механическая стойкость; • Стабильность времени считывания файлов вне зависимости от их расположения или фрагментации;. • Высокая скорость чтения/записи, нередко превосходящая пропускную способность интерфейса жесткого диска; • Скорость выполнения операций (IOPS – количество операций ввода-вывода в секунду) выше в десятки тысяч раз, чем у жесткого диска. • Низкое энергопотребление; • Широкий диапазон рабочих температур; • Большой модернизационный потенциал, как у самих накопителей, так и у технологий их производства; 2. Отсутствие магнитных пластин, отсюда: • Намного меньшая чувствительность к внешним электромагнитным полям; • Малые габариты и вес (нет необходимости делать увесистый корпус для экранирования). Недостатки • Главный недостаток NAND SSD — ограниченное количество циклов перезаписи. Обычная флеш-память позволяет записывать данные примерно 10 000 раз. Более дорогостоящие виды памяти — около 100 000 раз. Для борьбы с неравномерным износом применяются схемы балансирования нагрузки. Контроллер хранит информацию о том, сколько раз какие блоки перезаписывались и при необходимости «меняет их местами». Данный недостаток отсутствует у RAM SSD. • Проблема совместимости SSD накопителей с устаревшими и даже многими актуальными версиями ОС семейства Microsoft Windows, которые не учитывают специфику SSD накопителей и дополнительно изнашивают их (например, использование операционными системами механизма свопинга (подкачки) на SSD с большой вероятностью, уменьшает срок эксплуатации накопителя; • Цена гигабайта SSD-накопителей существенно выше цены гигабайта накопителя на жёстких магнитных дисках - HDD. К тому же, стоимость SSD прямо пропорциональна их ёмкости, в то время как стоимость традиционных жёстких дисков зависит не только от количества пластин и медленнее растёт при увеличении объёма накопителя. • Применение в SSD-накопителях команды TRIM делает невозможным восстановление удалённой информации системными утилитами. |