31012-1 (Устройства записи информации), страница 5

Жёсткие диски

Жёсткие диски являются самыми распространёнными устройствами хранения информации, потому что они обладают такими характеристиками, которые больше всего привлекают пользователей. Это высокая производительность, определяемая малым временем доступа и высокой скоростью записи/считывания информации, надёжность её хранения, большие объёмы и малая стоимость из расчёта на 1 Mb информации.

Жёсткий диск – это единая система, собранная из нескольких частей. Часть её запрашивается в BIOS, а коды жёсткого диска хранятся на системной плате в ПЗУ. Связь диска с системой реализуется через интерфейс. Здесь сигналы становятся взаимопонятными для дисковода и для ПК. Интерфейс может реализовываться отдельным дисковым контроллером или через электронику, встроенную в дисковод. Существует множество интерфейсов жёстких дисков, которые могут работать и с другими устройствами. Это IDE, SCSI, SCSI-2, W-SCSI, U-SCSI и т.д. Интерфейсом, наиболее часто использующимся в настольных системах, является IDE. От других он отличается скоростью работы, но современные его решения позволили приблизить его показатели к системам, работающим на интерфейсе SCSI, по крайней мере в настольных системах. Остальные же интерфейсы нашли своё применение главным образом в сетевой индустрии как накопители для серверов.

Сам диск представляет собой круг из жёсткого материала (алюминия или стекла), называемого подложкой и дающего возможность магнитному носителю использоваться для хранения цифровых кодов. Подложка разрабатывается так, чтобы быть как можно более плоской и никогда не менять свою форму при работе.

Крошечные области носителя на поверхности подложки, хранящие по одному биту информации, называются магнитными доменами. Для проведения операций чтения/записи и позиционирования головок используется специальный механизм.

Для работы жёсткому диску необходимо реализовать 3 функции: нужно усилить слабые логические сигналы до значений, способных изменить магнитную направленность доменов во время записи информации и различить слабые сигналы магнитного покрытия во время чтения и преобразовать их в форму, понятную остальной системе; головка диска должна позиционироваться с точностью до домена при выполнении операций чтения/записи; подложка должна вращаться с как можно более постоянной скоростью, чтобы последовательное чередование доменов по радиусу происходило через равные промежутки времени. Различия характеристик каждой части влияют на производительность всего жёсткого диска в целом и на совместимость компьютерных систем.

Принцип действия у жестких дисков остался прежним, хотя различные элементы постоянно подвергаются усовершенствованиям. Так на сегодняшний день быстродействие жёстких дисков достигает 7 мс, скорость передачи информации нескольких десятков Mb/с, а ёмкость 17 Gb.

Массивы жёстких дисков

Массивы жёстких дисков используются там, где необходимо сохранить громадные объёмы хранимой информации и при этом сделать минимальным риск потери этой информации в результате какого-либо сбоя. Объём современных массивов жёстких дисков может достигать нескольких сотен терабайт.

Идея массивов элементарна: объединить несколько жёстких дисков для создания массива виртуальной системы. Но это не простое подключение нескольких дисков к одному контроллеру. В массиве работа дисков координируется, и специальный контроллер распределяет между ними информацию. Вращение каждого диска в массиве синхронизировано, и каждый байт данных может храниться на нескольких дисковых поверхностях.

Очевидное преимущество – ёмкость. На двух дисках может храниться больше, чем на одном, а на четырёх – больше чем на двух. Но массивная технология позволяет ускорить процесс обработки информации и увеличить надёжность. Секрет кроется в способе объединения дисков в массив. Они не образуют последовательность, когда после заполнения одного диска начинает заполняться другой. Вместо этого каждый байт информации делится между дисками. Например, в системе с четырьмя дисками два бита каждого байта идут на первый диск, следующие два на второй и т.д. Таким образом, каждый байт данных обрабатывается в четыре раза быстрее, чем в однодисковой системе.

Выигрыш в ёмкости и производительности подкрепляется большой надёжностью системы. Ключ – в избыточности. При разбиении информации между дисками она записывается с перекрытиями. Например, в системе с четырьмя дисками на каждый диск записывается не по 2 бита, а по 4. Так на первый диск запишутся первые четыре бита, на второй тоже четыре, но начиная с третьего, на третий – начиная с пятого и т.д. Такая технология позволяет восстановить потерянную в одном месте информацию или даже в случае выхода из строя целого диска.

Такие диски называют защищёнными от сбоев. Приведённый выше пример показывает примитивнейший алгоритм работы массива. Улучшенные способы кодировки позволяют избежать дублирования каждого бита. Более того, повреждённый диск может быть заменён без прекращения работы остальной системы.

Электронная технология.

Электронная технология в настоящее время применяется в микросхемах памяти для различных устройств и в чипах, где хранятся системные настройки ПК или других устройств (например, BIOS). Электронная технология позволяет добиться производительности в тысячи раз больше, чем в других устройствах накопления информации, при меньших размерах и при меньших энергозатратах. Современные чипы имеют объём 256 Mb при скорости доступа менее 10 нс.

Наиболее часто используемым типом памяти является DRAM (Dynamic Random Access Memory). Они называются динамическими потому, что хранят данные в виде электрических зарядов, которые медленно разряжаются и должны периодически обновляться для обеспечения достоверности хранимых данных.

В случае обычных DRAM-микросхем каждому чипу требуется период восстановления между последовательными операциями чтения или записи, что может вызвать снижение общей скорости системы в случае нескольких последовательных обращений к такому чипу. Время, которое требуется для упомянутого восстановления, называется временем доступа чипа, и оно может представлять принципиальное ограничение для скорости всей памяти системы.

Для минимизации задержек, предполагаемых в случае последовательных обращений к чипу памяти, были созданы микросхемы памяти других типов. Чипы памяти страничного режима разрешают повторный доступ в пределах одного блока памяти в чипе без периода восстановления. Похожий тип микросхем, которые называются static-column RAM-микросхемами, позволяет повторяющийся доступ в пределах колонки, и это тоже не ведёт к ограничениям скорости.

Статическая RAM представляет собой совершенно другую технологию памяти, при которой данные сохраняются путём изменения положения электронных переключателей, называемых флип-флопы. SRAM-микросхемы не требуют периодов восстановления и имеют более высокое быстродействие, чем DRAM-микросхемы.

Микросхемы видео-RAM – это специальный вариант DRAM-микросхем с двумя портами, когда данные могут записываться в чип и одновременно считываться из другого порта. Данный тип памяти применяется в видеоадаптерах, потому что он позволяет обновлять изображение (вести запись в чип) в то время, когда данные из него посылаются на экран. Существует также WRAM (Window RAM), предложенная фирмой Samsung, которая также применяется в видеоадаптерах.

Существуют также и другие виды памяти. Это PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM) – память, которая может быть подвергнута многократному стиранию и перепрограммированию (стирание обычно предполагает то, что чип будет подвергнут сильному ультрафиолетовому излучению через специальное окошечко в верхней части корпуса), EEPROM (Electrically Erasable ROM) – то же самое, но с помощью электрических сигналов, но не таких как в случае DRAM. Flash-ROM – это специальная разновидность EEPROM, но приспособленная для частых стираний и перепрограммирований. Также, не так давно в компьютерной индустрии стала использоваться SDRAM и RDRAM (Synchronous DRAM и Rambus DRAM) – памяти с очень маленькими временами доступа и конвейерной организацией.

Заключение

Современные технологии записи информации продолжают стремительно развиваться. Особенно в последние годы. Прогресс движется в сторону увеличения ёмкости, увеличения скорости и надёжности систем сохранения информации. Те решения, которые ещё вчера были приемлемы только для серверов, сегодня становятся нормальными для обычных домашних рабочих станций или даже с трудом удовлетворяющими их потребностям. Это вполне нормально, т.к. производительность процессоров стремительно растёт а программы наделяются всё большими и большими способностями. Всё это сопровождается постоянным снижением цен, что делает новейшую технику сравнительно доступной.