ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.12.2021
Просмотров: 6810
Скачиваний: 22
339
9.7. Зовнішня пам'ять
9.7.1. Магнітні диски
Магнітні диски - це набір металевих або пластмасових пластин, покритих магнітним матеріалом, на якому зберігається інформація. Запис та зчитування інформації проводиться за допомогою головки запису-зчитування, яка є електромагнітною котушкою, причому в процесі запису-зчитування диск обертається відносно нерухомої головки.
При записі на головку подаються електричні імпульси, що намагнічують ділянку поверхні магнітного матеріалу під нею, причому характер намагніченості поверхні різний залежно від напряму струму в котушці. Зчитування базується на електричному струмі, що наводиться в котушці головки, коли під нею проходить ділянка магнітного матеріалу поверхні диска, причому в котушці наводиться струм тієї ж полярності, що використовувався для запису інформації. Не дивлячись на різноманітність типів магнітних дисків, принципи 'їх організації зазвичай однотипні.
Дані на диску організовані у вигляді набору концентричних кіл, названих доріжками (рис. 9.26). Кожна з них має ту ж ширину, що і головка. Сусідні доріжки розділені проміжками. Це запобігає помилкам із-за зсуву головки або із-за інтерференції магнітних полів. Як правило, для спрощення електроніки приймається, що на всіх доріжках може зберігатися однакова кількість інформації. Таким чином, щільність запису збільшується від зовнішніх доріжок до внутрішніх.
Обмін інформацією між ОП і магнітним диском здійснюється блоками. Розмір блоку зазвичай є меншим ємності доріжки, і дані на доріжці зберігаються у вигляді послідовних областей - секторів, розділених між собою проміжками. Розмір сектора рівний мінімальному розміру блоку.
340
Типове число секторів на доріжці коливається від 10 до 100. При такій організації повинні бути задані точка відліку секторів і спосіб визначення початку і кінця кожного сектора. Все це забезпечується за допомогою форматування, в ході якого на диск заноситься службова інформація, недоступна користувачу і використовувана тільки апаратурою дискової пам'яті.
Приклад розмітки магнітного диску показаний на рис. 9.33.
Тут кожна доріжка включає ЗО секторів по 600 байт в кожному. Сектор зберігає 512 байт даних і керуючу інформацію, потрібну для контролера диска. Поле заголовка містить інформацію, що служить для ідентифікації сектора. Байт синхронізації є характерним кодом, що дозволяє визначити початок поля. Номер доріжки визначає доріжку на поверхні. Якщо в накопичувачі використовується декілька дисків, то номер головки визначає потрібну поверхню. Поле заголовка і поле даних містять також код циклічного контролю, що дозволяє виявити помилки. Зазвичай цей код формується послідовним додаванням за модулем 2 всіх байтів, що зберігаються в полі.
В даний час у комп'ютерах використовується широкий спектр дискових систем: з фіксованою та рухомою головкою зчитування, яка може контактувати з магнітним матеріалом, або бути від нього на деякій відстані, із знімними та фіксованими дисками, з одним та багатьма дисками, причому магнітний матеріал може бути нанесеним як на одну сторону диска, так і на обидві.
У дисковій системі з фіксованими головками на кожну доріжку приходиться по одній головці запису-зчитування. Головки змонтовані на жорсткому важелі, що перетинає всі доріжки диска. У дисковій системі з рухомими головками є тільки одна головка, також встановлена на важелі, проте важіль здатний переміщатися в радіальному напрямі над поверхнею диска, забезпечуючи можливість позиціювання головки на будь-яку доріжку.
Диски з магнітним носієм встановлюються в дискову систему, що складається з важеля, шпинделя, що обертає диск, і електронних схем, потрібних для введення і виведення двійкових даних. Незнімний диск зафіксований в дисковій системі. Знімний диск може бути вийнятий і замінений на інший аналогічний диск. Перевага системи із знімними
341
дисками - можливість зберігання необмеженого об'єму даних при обмеженому числі дискових пристроїв. Крім того, такий диск може бути перенесений з одного комп'ютера на інший.
Більшість дисків мають магнітне покриття з обох сторін.
На осі може розташовуватися один, або декілька (рис. 9.34) дисків. У останньому випадку використовують термін дисковий пакет.
Залежно від вживаної головки запису-зчитування можна виділити три типи дискової пам'яті. У першому варіанті головка встановлюється на фіксованій дистанції від поверхні так, щоб між ними залишався повітряний проміжок. Другий варіант - це коли в процесі зчитування і запису головка і диск знаходяться у фізичному контакті. Такий спосіб використовується, наприклад, у накопичувачах на гнучких магнітних дисках (дискетах).
Для правильного запису і зчитування головка повинна генерувати і сприймати магнітне поле певної інтенсивності, тому чим вужча головка, тим ближче повинна вона розміщуватися до поверхні диска (вужча головка означає і вужчі доріжки, а значить, і велику місткість диска). Проте наближення головки до диска означає і більший ризик помилки за рахунок забруднення і дефектів. В процесі вирішення цієї проблеми був створений диск типу вінчестер. Головки вінчестера і диски поміщені в герметичний корпус, що захищає їх від забруднення. Крім того, головки мають дуже малу вагу й аеродинамічну форму. Вони спроектовані для роботи значно ближче ло поверхні диска, ніж головки в звичайних жорстких дисках, тим самим підвищується щільність зберігання даних. При зупиненому диску головка прилягає до його поверхні. Тиску, що виникає при обертанні диска, достатньо для підйому головки над поверхнею. В результаті створюється неконтактна система з вузькими головками запису-зчитування, що забезпечує щільніше прилягання головки до поверхні диска, ніж у звичайних жорстких дисках.
9.7.2. Масиви магнітних дисків з надлишковістю
Оскільки жорсткі диски є основною зовнішньою пам'яттю комп'ютера, до 'їх характеристик, а саме вартості, продуктивності та відмовостійкості, висуваються підвищені вимоги. Причому, враховуючи те, що розрив у продуктивності між жорстким диском
342
і ядром комп'ютера постійно росте, а збільшення його продуктивності вдвічі було досягнуто лиш через 10 років (рис. 9.8), розробники вимушені шукати структурні методи покращення їх характеристик. Один із таких методів, а саме надлишкові масиви дешевих дисків (RAID - Redundant Arrays of Inexpensive Disks) був запропонований у 1987 році Д. Паттерсоном, Р. Гартом Р. Катцом. В основу RAID покладена наступна ідея: об'єднуючи в масив декілька невеликих і/або дешевих дисків, які з боку комп'ютера сприймаються як один диск, можна отримати систему, що переверщує за об'ємом, продуктивністю роботи і надійністю дорогі диски великого об'єму.
Асоціацією виробників RAID-систем було визначено шість базових типів дискових масивів RAID: RAID 0, RAID 1,..., RAID 5. Також є кілька типів RAID, які не включені в даний перелік, оскільки вони представляють собою різні комбінації базових рівнів. Хоча ні один тип не може бути визнаний кращим для всіх випадків застосування, кожен з них дозволяє відчутно покращити якусь характеристику.
Підвищена продуктивність дискової підсистеми в RAID досягається за допомогою розбиття даних і дискового простору на смуги, які розподіляються по різних дисках, відповідно до визначеної системи. Це дозволяє проводити паралельне зчитування або запис відразу кількох смуг, якщо вони розміщені на різних дисках. В ідеальному випадку, продуктивність дискової підсистеми може бути збільшена в ту кількість разів, яка рівна кількості дисків в масиві. Розмір (ширина) смуги вибирається виходячи з особливостей кожного рівня RAID, і може бути рівна біту, байту, розміру фізичного сектора диска, або ж розміру доріжки. Частіше всього послідовні смуги розділяються по послідовних дисках масиву. Так, в масиві із п дисків п перших смуг фізично розміщені як перші смуги на кожному з дисків, наступні п смуг - як другі смуги на кожному диску і т. д. Набір послідовних смуг, однаково розміщених на кожному диску масиву, називають поясом.
Інша ціль концепції RAID - це підвищення 'їх відмовостійкості за рахунок виявлення і корекції помилок, які виникають при відмові дисків, або в результаті збоїв. Досягається це за рахунок надлишкового дискового простору, який задіяний для зберігання додаткової інформації, що дозволяє відновити спотворені або втрачені дані. В RAID передбаченні три види додаткової інформації: дублювання, код Хемінга та використання бітів контролю парності.
Дублювання полягає в записі тих же даних на інші диски масиву, що дозволяє при відмові одного з дисків скористатися відповідною інформацією, збереженою на справних дисках. У принципі розділення інформації по дисках масиву може бути довільним, але для скорочення затрат, зв'язаних із пошуком копії, застосовується розбиття масиву на пари дисків, де в кожній парі дисків інформація є ідентичною та розміщена однаково. При такому дублюванні надмірність дискового масиву становить 100%.
Код Хемінга обчислюється для кожної групи смуг, однаково розміщених на всіх дисках масиву, тобто поясу. Коригуючі біти зберігаються на спеціально виділених для цієї цілі додаткових дисках. Так, для масиву з десяти дисків потрібно чотири додаткових диски.
Використання бітів контролю парності замість коду Хемінга передбачає обчислення контрольної смуги бітів парності для кожного набору смуг, розміщених в ідентичній позиції на всіх дисках масиву. В ній значення окремого біта формується як сума за модулем два для однойменних бітів в усіх контрольованих смугах. Для зберігання смуг бітів контролю парності потрібно тільки один додатковий диск. У випадку відмови якогось із