Дисковое запоминающее устройство

Магнитные диски основаны на использовании вращающейся пластины с магнитным покрытием и перемещающихся головок чтения-записи для обращения к диску. Дисковое запоминающее устройство является энергонезависимым, данные на нем остаются даже после отключения питания. Магнитный диск содержит набор пластин (1-4), каждая из которых имеет две пригодные для записи дисковые поверхности. Пакет пластин вращается со скоростью от 5400 до 15 000 оборотов в минуту и имеет диаметр от одного до трех с половиной дюймов. Каждая дисковая поверхность поделена на концентрические окружности, называемые дорожками. Обычно на каждой поверхности находится от 10 000 до 50 000 дорожек. Каждая дорожка в свою очередь разбита на сектора, в которых содержится информация; каждая дорожка может иметь от 100 до 500 секторов. Размер сектора обычно составляет 512 байт, хотя есть инициатива увеличить размер сектора до 4096 байт. Последовательность, записываемая на магнитный носитель, состоит из номера сектора, промежутка, информации для этого сектора, включая код коррекции ошибки, промежутка, номера следующего сектора и т. д.

Считывающие головки жесткого диска

Изначально все дорожки имели одно и то же количество секторов и, следовательно, одно и то же количество битов. С введением в начале 1990-х годов зональной поразрядной записи (zone bit recording, ZBR) дисковые накопители стали использовать разное количество секторов (а следовательно, и битов) на дорожку, исключив интервал между постоянным количеством битов. Благодаря ZBR увеличилось количество битов на внешних дорожках, и, как следствие увеличился объем данных на дисковых накопителях.

Для доступа к данным операционная система должна провести диск через процесс, состоящий из трех шагов. Первый шаг заключается в позиционировании головки над нужной дорожкой. Эта операция называется поиском, а время перемещения головки на нужную дорожку называется временем поиска.

Производители дисков в своих руководствах дают сведения о минимальном времени поиска, максимальном времени поиска и среднем времени поиска. Первые два из них измерить нетрудно, но среднее время открыто для широкой интерпретации, потому что оно зависит от расстояния поиска. Производители решили вычислять среднее время поиска в виде суммы времени на все возможные поисковые операции, разделенной на количество таких операций. Среднее время поиска обычно рекламируется в промежутке между 3 и 13 мс, но, в зависимости от приложения и диспетчеризации запросов к диску, реальное среднее время поиска может составлять всего лишь от 25% до 33% от рекламируемого, благодаря локальности обращений к диску. Эта локальность возникает как от последовательного характера обращений к одному и тому же файлу, так и от того, что операционная система пытается путем диспетчеризации сгруппировать подобные обращения.

Как только головка достигнет нужной дорожки, следует дождаться, пока под головку чтения-записи не попадет нужный сектор. Время этого ожидания называется латентностью вращения или задержкой вращения. Средняя латентность до получения нужной информации составляет половину времени оборота диска.

Последний компонент обращения к диску, время передачи данных, является временем передачи блока битов. Время передачи является функцией от размера сектора, скорости вращения и плотности записи на дорожке. Скорость передачи данных в 2008 году была в диапазоне от 70 до 125 Мбайт/с. Одна из сложностей заключается в том, что большинство дисковых контроллеров имеют встроенную кэш-память, в которой хранятся передаваемые сектора; скорость передачи данных из кэш-памяти, как правило, выше, и в 2008 году могла достигать 375 Мбайт/с (3 Гбит/с). Сегодня большинство передач данных имеют длину в несколько секторов.

Дисковый контроллер обычно занимается всеми тонкостями управления диском и переноса данных между диском и памятью. Контроллер добавляет последний компонент времени доступа к диску, время контроллера, являющееся издержками, вносимыми контроллером в осуществление доступа ввода-вывода. Среднее время выполнения операции ввода-вывода будет состоять из этих четырех временных показателей плюс время ожидания, вытекающее из того, что диск используется другими процессами.

Усилия множества разработчиков дисков привели к широкому разнообразию дисковых накопителей. На более широком рынке стоимость обычно была в диапазоне от 20 центов до 2 долларов за гигабайт в зависимости от размеров, интерфейса и производительности.

В то время как диски продолжат свое существование в обозримом будущем, точка зрения о том, как определяется местонахождение блоков по номерам, не отличается постоянством. В модели «сектор–дорожка–цилиндр» предполагаете, что соседние блоки находятся на одной и той же дорожке, обращение к блоку одного и того же цилиндра из-за отсутствия времени поиска занимает меньше времени и одни дорожки находятся ближе других. Основой разбиения стало повышение уровня интерфейсов. «Разумные» высокоуровневые интерфейсы, такие как ATA и SCSI, требуют наличия микропроцессора в составе диска, что приводит к оптимизации производительности.

Для ускорения последовательных передач эти высокоуровневые интерфейсы делают организацию дисков больше похожей на ленты, чем на устройства произвольного доступа. Логические блоки выстроены по поверхности в виде серпантина в стремлении захватить все секторы, записанные с одинаковой плотностью битов. Следовательно, последовательные блоки могут находиться на разных дорожках.

Уточнение. Эти высокоуровневые интерфейсы позволяют добавлять к контроллера дисков устройства кэш-памяти, обеспечивающие быстрый доступ к недавно считанным данным по запрошенным процессором передачам. В них используется сквозная запись, и они не обновляются в случае промахов при записи, а также часто включают алгоритмы предварительного извлечения, осуществляющие попытки предвидение востребуемых данных. В контроллерах также используется очередь команд, позволяющая диску решать, в каком порядке их выполнять для максимального увеличения производительности при соблюдении правильного поведения. Разумеется, такие возможности усложняют оценку производительности диска и повышают важность выбора рабочей нагрузки при проведении сравнения дисков.



Вы можете оставить комментарий, или Трекбэк с вашего сайта.

Оставить комментарий