Лекція Арх. №08. Зовнішня память

1. Тема лекції: Зовнішня пам'ять Ціль лекції: Ознайомитися з принципами запису, зберігання та читання інформації на магнітних та

Тема 2: Організація пам’яті
Лекція№8
комп'ютерів
по дисципліні "Архітектура комп'ютерів"
Тема лекції: Зовнішня пам'ять
Ціль лекції: Ознайомитися з принципами запису, зберігання та читання інформації на
магнітних та оптичних дисках, місце та способи їх використання.
Пояснити організацію, порядок роботи і використання дискових масивів зі
збитковістю з метою підвищення продуктивності та перешкодостійкості
зберігання та читання інформації.
План лекції
1. Накопичувачі на магнітних дисках
2. Форматування накопичувачів на магнітних дисках
3. Масиви магнітних дисків зі збитковістю
4. Накопичувачі на оптичних дисках
Література: Б.Я. Циклер, С.А. Орлов. Организация ЭВМ и систем. Х. Питер:, 2004, с. 271290.

2. 1. Накопичувачі на магнітних дисках

Накопичувач на магнітних диска – це периферійний запам'ятовуючий пристрій, що
реалізує зовнішню пам'ять комп'ютера великої ємності.
Розрізняють:
накопичувачі на змінних дисках (дискетах) – використовуються в основному в якості
пристроїв вводу-виводу:
накопичувачі на пакетах жорстких постійних дисків (винчестерські накопичувачі) –
використовуються в якості швидкодіючої зовнішньої пам'яті. Мають малу вартість
зберігання одиниці інформації.
Диск винчестерського накопичувача це стеклокерамічна пластина, на яку методом
напилення або електролізу в вакуумних камерах наноситься тонкоплівкове покриття з
фосфориту нікелю та кобальтового сплаву, яке потім запікається й отримується шар зверх
жорсткого феромагнетику.
Основні характеристики:
Ємність;
Швидкодія:
• середній час доступу;
• середній час пошуку;
• середній час очікування;
Швидкість передачі даних
Час безвідмовної роботи.
Швидкість обертання шпинделю
пакету дисків: 3 600 об/хв; 5 400
об/хв; 7 200 об/хв; 10 000 об/хв.

3. 1. Накопичувачі на магнітних дисках

Порядок розміщення інформації на
магнітному диску
Метод зонно-секційного запису
Ємність HDD:
V = C H S 512 (байт),
С - кількість циліндрів, що рівна кількості доріжок на одному диску (ця величина звичайно
складає більш 10 000);
Н - кількість головок (по дві на один диск, кількість дисків звичайно складає 1-5);
S - кількість секторів на доріжки (до 1000 секторів);
512 - розмір даних сектора в байтах (фізичний розмір сектора з урахуванням службової
інформації складає 571 байт).

4. 1. Накопичувачі на магнітних дисках

Формат доріжки диска винчестерського типу
Кількість
Опис
байт
POST INDEX GAP
Після індексний інтервал
16
4Еh
Сектор 1 ID VFO LOCK
Захват генератора ідентифікатора сектора
13
00h
SYNC BYTE
Байт синхронізації
1
А1h
ADDRES MARK
Метка адреси
1
FEh
CYLINDER NUMBER Номер циліндру
2
HEAD NUMBER
Номер головки
1
SECTOR NUMBER
Номер сектора
2
CRC
Контрольна сума для перевірки ID
2
WRITE TURN-ON GAP Інтервал включення записи
3
00h
DATA SYNC VFO LOCK Захват генератора для зчитування даних
13
00h
SYNC BYTE
Байт синхронізації
1
A1h
DATE MARK
Метка даних
1
F8h
DATA
Данні
512
CRC
Контрольна сума поля даних
2
WRITE TURN-OFF GAP Інтервал відключення запису
3
00h
INTER-RECORD GAP Інтервал між записами
14
00h
Сектор 2
...
571
...
...
...
...
Сектор N
...
571
PRE-INDEX GAP
Перед індексний інтервал
693
4Eh
Код
Назва

5.

2. Форматування накопичувачів на магнітних дисках
Форматування це попередня процедура розмітки диска на доріжки та сектори, створення
опису структури диску та запис початкової інформації для розміщення та адресації файлів.
Форматування жорсткого диска виконується в три етапу:
1. Форматування низького рівня (або фізичне форматування) – доріжки диска розбиваються
на сектори. При цьому записуються заголовки і закінчення секторів (префікси та суфікси), а
також формуються інтервали між секторами та доріжками. Область даних кожного сектора
заповняється фіктивними значеннями. Фізичне форматування завжди виконується
однаково, незалежно від властивостей операційної системи та параметрів форматування
високого рівня.
2. Розбивання диска на розділи абсолютно необхідно у тому випадку, коли передбачається
використовувати на одному комп'ютері декілька операційних систем. При організації
декількох розділів на одному накопичувачі, кожний з них може працювати під управлінням
своїй операційної системи. Розділ представляє окремий том (volume) або логічний диск
(logical drive). Том або логічний диск має своє літерне визначення. В кожному розділі
створюється своя файлова система, яка співвідноситься певній операційної системі.
3. Форматування високого рівня (або логічне форматування) – створення структури для
роботи з файлами та даними. В кожному розділі створюється завантажуючий сектор тому
(Volume Boot Sector – VBS), дві копії таблиць розміщення файлів (FAT) та кореневий каталог
(Root Directory). З допомогою цих структур операційна система розподіляє дисковий простір,
відслідковує розташування файлів, виявляє та обходить дефектні ділянки на диску.
Форматування гнучкого диску (дискети) складає один етап, якій об'єднує фізичне
форматування та форматування високого рівня. Гнучкі диски на розділи не поділяється.
Для гнучких дисків завжди використовується файлова система FAT12.

6.

2. Форматування накопичувачів на магнітних дисках
На сьогоднішній дінь використовуються наступні файлові системи
FAT12 - стандартна файлова система для DOS використовується в теперішній час
виключно для форматування дискет. Для адресації кластерів використовується 12
розрядів. Дозволяє створювати логічний диск розміром до 2 Мбайтів.
FAT16 - стандартна файлова система для DOS, Windows 9x, Windows NT. В розділах
FAT під Windows допустима довжина імен файлів – 255 символів. Об'єм тому (логічного
диска) - до 2 Гбайт.
FAT32 – використовується з Windows 95 OSR2, Windows 98, Windows 2000. Коміркам
розміщення співвідноситься 32-розрядні числа. Об'єм файлового тому може досягати
2 Тбайт.
NTFS (Windows NT File System) - довжина імен файлів може досягати 256 символів, а
розмір розділу (теоретично) – 16 Эбайт (16*1018 байт). NTFS забезпечує додаткові
можливості та засоби безпеки.
UFS (UNIX File System) - доступна тільки в операційної системі UNIX.
В процесі логічного форматування диск розбивається на кластери.
Кластер це мінімальна одиниця даних, що адресується усередині логічного диска (тому).
Розмір кластера завжди кратний розміру сектора, тобто 512 байтам. Він може приймати
значення від 512 байтів до 32 Кбайтів.
Розмір кластера визначається:
- типом файлової системи, що використається операційною системою;
- розміром розділу (логічного диска).
Чом більше розмір кластера, тим більш великий по об'єму логічний диск можливо
адресувати.

7.

2. Форматування накопичувачів на магнітних дисках
Физическая структура файловой системы FAT
Таблиця розділів
PT
Головний завантажуючий запис
Таблиця
розділів
Завантажуючий
сектор
тому
MBR
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
VBS
06 EOF
Таблиця розділів
Таблиці
розміщення файлів
Кореневий каталог
Область
даних
07
12 27
EOF 30
FAT #1
FAT #2
ROOT
Directory
Cluster 1
Cluster 2
Cluster 3
Cluster 4
Cluster 5
Ім’я Тип Дата Розмір
File1 Sys 23/06 144
File2 Exe 22/01 22356
File3 Doc 05/12 667
File4 txt 12/02 234543
File Area
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12
Покажчик
01
00
11
04
27 28 29 30 31
Cluster n-1
Cluster n
РТ - містить інформацію о головках, доріжках та секторах розділу, загальної кількості
секторів в розділі, типі файловій системі.
MBR – містить Boot програму початкового завантаження комп'ютера.
VBS – містить опис файлової системи розділу: розмір кластера, розмір та тип FAT.

8.

2. Форматування накопичувачів на магнітних дисках
Файлова система FAT підтримує два типа файлів: звичайний файл та каталог.
Файлова система використовує в якості мінімальної одиниці дискового простора кластер.
Таблиця FAT складається з масиву індексів, кількість яких рівна кількості кластерів області
даних. Між кластерами та індексними покажчиками мається однозначне співвідношення –
нульовий покажчик співвідноситься нульовому кластеру, і т.д.
Індексний покажчик може приймати наступні значення:
- кластер вільний (00h);
- кластер використовується файлом і не є останнім кластером файла: в цьому випадку
індексний покажчик містить номер наступного кластера файла;
- останній кластер файла – EOF (F8h – FFh);
- дефектний кластер (F7h);
- резервний кластер.
В залежності від кількості розрядів, які відводяться під зберігання одного індексу
відрізняють FAT12, FAT16 и FAT32.
Резервна копія FAT завжди синхронізується з основною копією при будь-яких операціях з
файлами.
В FAT12 и FAT16 кореневий каталог (ROOT) займав чітко фіксоване місці на диски і не був
можливим переміщатися, а також був обмежень 256 32-розрядними записами. В цих
файлових системах можливо було оперувати з іменами файлів по системі "8.3".
В FAT32 ROOT не має фіксованого місця на диску і може мати будь-який розмір. Імена
файлів стали довгими (до 256 символів). В структуру каталогів додані записи для зберігання
довгих імен файлів. Щоб попередні версії не пошкодили цим додатковим записам в них
встановлені атрибути: тільки для читання, потайній, системний та метка тому. Такі атрибути
файлів попередніми версіями операційних систем ігнорувалися. Таким чином, у файлів
стало два імені: коротке та довге.

9.

3. Масиви магнітних дисків зі збитковістю
Магнітні диски, що виступають в якості основної зовнішньої пам'яті комп'ютера, мають сутні
недоліки – відносно малу продуктивність, низьку відмовостійкість та інколи недостатню
ємність.
Ці показники мають велике значення для файлових серверів та серверів баз даних, на яких
зберігаються великі масиви важливої інформації, що використовується багатьма
користувачами.
Ці недоліки усуває технологія RAID – масив незалежних дисків зі збитковістю.
Для RAID масивів характерні три загальних властивості:
RAID є набір фізичних дискових ЗП, що керуються операційною системою і
розглядаються як один логічний диск;
данні розподілені по фізичним дискам масиву;
збитковий дисковий простір використовується для зберігання додаткової інформації,
яка гарантує відновлення даних у випадку відмови диска.
Підвищення продуктивності досягається з допомогою прийому розшарування даних –
розділення даних та дискового простору на сегменти, які носять назву смуг. Смуги даних
розподіляються по смугам різних дисків масиву відповідно певної системи. Це дозволяє
проводити паралельно запис або читання одночасно декілька смуг, якщо вони розташовані на
різних дисках.
Підвищення відмовостійкості дискової підсистеми досягається за рахунок збиткового
дискового простору, яке використовується для зберігання додаткової інформації, що дозволяє
відновлювати викривлені або втрачені данні.
В RAID технології використовується один з трьох способів підвищення відмовостійкості:
дублювання інформації;
використання перешкодостійкого коду Хеммінга;
використання бітів паритету.

10.

3. Масиви магнітних дисків зі збитковістю
RAID рівня 0
Запис даних
0
4
8
12
1
5
9
13
2
6
10
14
Читання даних
3
7
11
15
Стричка
n – кількість фізичних дисків в
масиві Для прикладу n = 4.
Смуги
Ця схема не містить збитковості і призначена тільки для підвищення продуктивності.
Технологія основана на розшаруванні даних. Смуги розподілені по всім дискам масиву по
циклічної схемі.
Перевага - можливість запису та читання паралельно в часі декількох смуг аж до n, що
значно зніжує тривалість вводу-виводу.
Ширина смуги може бути будь-якої, але не менш розміру сектора.
RAID 0 забезпечує найбільш ефективне використання дискового простору і максимальну
продуктивність дискової підсистеми при мінімальних витратах та простоті реалізації.
Недолік – незахищеність даних – відмова одного з дисків веде до руйнування цілісності
даних у всьому масиві.

11.

3. Масиви магнітних дисків зі збитковістю
RAID рівня 1
Запис даних
0
4
8
12
=
0
1
4
8
9
12
3
1
5
9
13
2
=
1
5
9
13
2
6
10
14
=
2
6
10
14
3
7
11
15
=
3
7
11
15
Читання даних
Забезпечує високу перешкодостійкість за рахунок повного дублювання даних. Кожний
фізичний диск з інформацією має свою “дзеркальну” копію.
Вхідні данні та їх копії можуть розташовуватися по дисковому просторі довільно, головне,
щоб вони знаходилися на різних фізичних дисках. Але з точки зору продуктивності та
простоти керування данні та їх копії слідує розташовувати ідентично на однакових фізичних
дисках.
Для керування кожної пари дисків може використовуватися один контролер, тоді данні
спочатку пишуться на основної диск а потім на “дзеркальний”. Однак ліпше використовувати
два контролера для підвищення швидкості запису.
Запит на читання обслуговується тем з двох дисків, якому в даний час потрібно менше
часу на пошук та менша затримка на обертання диска.
Перевага – висока перешкодостійкість при відсутності затримки на виявлення та
корегування помилок.
Недолік – висока вартість за рахунок великої збитковості.

12.

3. Масиви магнітних дисків зі збитковістю
RAID рівня 2
Запис даних
a0
b0
c0
d0
a1
b1
c1
d1
a2
b2
c2
d2
a3
b3
c3
d3
Формувач
корегуючого коду
Слово a
Слово b
Слово c
Слово d
Корегуючи біти коду
Хеммінга
F0(a)
F0(b)
F0(c)
F0(d)
F1(a)
F1(b)
F1(c)
F1(d)
F2(a)
F2(b)
F2(c)
F2(d)
Схема контролю та
виправлення помилок
Читання даних
Використовується техніка паралельного доступу, коли в виконанні кожного запиту
читання-запису одночасно приймають участь всі диски.
Данні розбиваються на смуги шириною в 1 біт, і розподіляються по дискам масиву таким
чином, що повне машинне слово подається поясом, тобто число дисків в масиві рівняється
розрядності слова.
Для кожного слова вираховується корегуючий код Хеммінга, корегуючі біти якого
порозрядно записується на додаткові диски.
При читанні повний код аналізується на наявність помилок: якщо виникла одна помилка
то вона виявляється та виправляється.
Недолік – сучасні дискові накопичувачі вже мають вбудовані засоби корекції на основі
корегуючих кодів.

13.

3. Масиви магнітних дисків зі збитковістю
RAID рівня 3
Запис даних
a0
b0
c0
d0
a1
b1
c1
d1
a2
b2
c2
d2
Формувач смуги
паритету
Формування біту паритету
при запису:
P(a)
P(b)
P(c)
P(d)
a3
b3
c3
d3
Схема контролю та
виправлення помилок
Читання даних
Х4і = Х3і Х2і Х1і Х0і.
При читанні, коли відмовив,
наприклад, диск 1, втрачені
біти вилічуються по
правилу:
Х1і = Х4і Х3і Х2і Х0і.
Використовується паралельний доступ до даних, які розділені на смуги довжиною в один
біт, або байт. Все диски масиву синхронізовані.
Заміст коду Хеммінга для набору смуг ідентичної позиції на всіх дисках масиву (поясу)
вилічується смуга, що складається з бітів паритету.
В випадку відмови дискового ЗП, наприклад, з номером 1 здійснюється звертання до диска
паритету, і данні відновлюються по бітам паритету і даним від інших дисків масиву.
Переваги:
1. Висока швидкість пересилки даних за рахунок того, що кожний запит на ввід/вивід
приводить до паралельної передачі даних зі всіх дисків. Це важно при пересилки
великих порцій даних.
2. Для збереження збиткової інформації потрібний всього один диск незалежно від їх
числа в масиві.

14.

3. Масиви магнітних дисків зі збитковістю
Запис даних
RAID рівня 4
Формувач смуги
паритету
0
4
8
12
1
5
9
13
2
6
10
14
3
7
11
15
P(0-3)
P(4-7)
P(8-11)
P(12-15)
Схема контролю та
виправлення помилок
Читання даних
Розмір смуг великий і складає 1-2 фізичних блоків.
Використовується техніка незалежного доступу – кожний диск функціонує незалежно так,
що запити на ввід-вивід можуть задовольнятися паралельно.
При поновленні даних тільки на диски 1 біт паритету можна вичислити по наступному
правилу
Х4і’ = Х3і Х2і Х1і’ Х0і = Х3і Х2і Х1і’ Х0і Х1і Х1і = Х4і Х1і’ Х1і .
Тобто для розрахунку нової смуги паритету потрібно провести дві операції читання та дві
операції запису. Це сповільнює процес запису коротких даних.
Цей метод добре працює при великому об'ємі даних, що пересилаються за один запит.

15.

3. Масиви магнітних дисків зі збитковістю
RAID рівня 5
Запис даних
Формувач смуги паритету
0
4
8
1
5
9
12
P(16-19)
P(12-15)
16
2
6
P(8-11)
13
17
3
P(0-3)
P(4-7)
10
7
11
11
15
18
19
Схема контролю та виправлення помилок
Читання даних
Для смуг паритету не виділяється спеціальний диск.
Смуги паритету розподіляються по всім дискам по циклічному принципу.
Такої розподіл інформації по дискам дозволяє в повній мірі використати властивість
паралельного одночасного обслуговування запитів вводу-виводу.

16.

3. Масиви магнітних дисків зі збитковістю
RAID рівня 7
Запис та читання даних
Кеш-память
0
4
8
12
1
5
9
13
2
6
10
14
3
7
11
15
Операційна
система
реального часу
P(0-3)
P(4-7)
P(8-11)
P(12-15)
Об'єднує масив асинхронно працюючих дисків та кеш-пам'ять.
Системою керує особиста операційна система реального часу.
Данні розбити на смуги розміром в один блок та розподілені по дискам.
Смуги паритету зберігаються на спеціальному диску.
Переваги системи:
забезпечує одночасне паралельне обслуговування багатьох незалежних
запитів на читання та запис;
ефективно проводить роботу з великими по розміру файлами даних.

17.

3. Масиви магнітних дисків зі збитковістю
Особливості реалізації RAID-систем
Програмна реалізація:
Використовуються звичайні дискові контролери та стандартні команди вводу-виводу;
Робота дискових ЗП відповідно з алгоритмами різних рівнів RAID забезпечується
програмами операційної системи.
Перевага – низька вартість реалізації.
Недолік – низька продуктивність.
Апаратна реалізація – можливі два підходи:
1. Заміна стандартного контролера дисків на спеціалізованій, якій забезпечує потрібний
рівень праці RAID-масиву. Комп'ютер звертається до контролера з допомогою звичайних
команд вводу-виводу. RAID-контролери частіше використовують інтерфейс SCSI.
2. RAID-система виконується як автономна система в особистому корпусі, що включає
масив дисків та контролер. Контролер має свій процесор і працює під керуванням особистої
операційної системи, що повністю реалізує різноманітні RAID-режими. Така система
підключається до шини або до каналу вводу-виводу комп'ютера як звичайне дисковий ЗП.
При апаратної реалізації RAID-система дозволяє зміну несправних дисків без зупинки
роботи системи в цілому.
Таки системи дозволяють також розбивати окремі диски на розділи і різні розділи різних
дисків можуть об'єднуватися відповідно до різних рівнів RAID.

18.

3. Накопичувачі на оптичних носіях
Накопичувачі на оптичних носіях – це периферійні пристрої, що реалізують функцію
зовнішньої постійної пам'яті великої ємності.
Такі накопичувачі дозволяють в робочому режимі здійснювати тільки читання
інформації. Запис інформації може здійснюватися тільки в заводських умовах, або на
комп'ютері в спеціальному режимі.
Накопичувачі на оптичних носіях по своїм характеристикам розділяють на
наступні групи:
CD-ROM - Compact Disc Read-Only Memory – пам'ять тільки для читання на компактдиску. Запис інформації проводиться на етапі фабричного виготовлення диска шляхом
матричного копіювання і потім вона змінюватися не може.
CD-R - CD-Recordable – компакт-диск, що дозволяє запис. Випускається промисловістю
в вигляді пустої болванки з сформованими доріжками для запису. Дозволяє проводити
однократний запис на комп'ютері. Після запису інформація змінюватися або
доповнюватися не може. Що таки накопичувачі називають CD-ROM-WORM – Сompact Disc
Write-Once, Read-Many – однократний запис, багатократне читання.
CD-RW - CD-ReWritable - компакт-диск, що дозволяє перезапис.
DVD-ROM - пам'ять тільки для читання на цифровому універсальному диску.
DVD-R - цифровий універсальний диск, що дозволяє однократний запис
DVD-RAM або DVD-RW, цифровий універсальний диск з довільним звертанням, або,
інакше, цифровий універсальний диск, що дозволяє багатократний запис та читання.

19.

3. Накопичувачі на оптичних носіях
Структурна схема накопичувача на оптичних дисках
Запис інформації здійснюється штрихами на спіральних доріжках. Глибина кожного
штриха рівна 0,18 мкм, ширина - 0,6 мкм. Відстань між вітками спіралі складає 1,6 мкм,
що складає щільність 625 витків на міліметр. Довжина штриха вдоль доріжки може
складати від 0,9 до 3,3 мкм.
При запису використовується технологія CLV (Constant Linear Velocity - запис з постійною
лінійною швидкістю).
Читання в більшості сучасних накопичувачів здійснюється з постійною кутовою швидкістю
- CAV (Constant Angular Velocity). Тобто данні зчитуються лазером з різною лінійною
швидкістю в залежності від розташування на диску: на краю – швидше ніж ближче до
центру диску. В деяких накопичувачах використовується при читанні технологія P-CAV
(Partial-CAV - частково постійна кутова швидкість).
Технологія CAV відміняється низьким рівнем шуму та низькою ціною.

20.

3. Накопичувачі на оптичних носіях
На поверхні стандартного оптичного диску розташується 20344 доріжки, що з'єднані в
одну спіральовидну доріжку загальною довжиною 5,27 км. При постійної лінійної швидкості
1х CD-ROM – 1,2 м/с, для проходження цей спіралі потрібно 4391с = 73,2 хв. Це є
стандартний час програвання аудіо диска. Так як швидкість читання складає 176,4 Кбайт/с,
то ємність диска складає 774,57 Мбайт.
Запис даних на СD-ROM використовує наступні елементи:
одиниця кодується перепадім між бугорком і впадиною на доріжки, ніль кодується або
бугорком, або впадиною.
байт записується RLL кодом, в якому для запису 8 біт даних використовується 14 біт
коду плюс 3 біти злиття.
кадр (Frame) – базова одиниця інформації, що включає 24 кодованих байтів плюс 180
біт для корегування помилок, тобто 1 кадр = 24 (14+3)+ 180 = 588 біт.
Сектор містіть 3234 кодованих байтів: 2352 інформаційних байтів та 882 байти для
корегування помилок та управління. Така кількість надлишкових байтів для корегування
помилок забезпечує якісне читання інформації з вірогідністю помилки на біт, рівної 10-10.

21.

3. Накопичувачі на оптичних носіях
Формати сектору для
зберігання даних типу тексту
Формати сектору для зберігання
даних типа звука та відео
По стандарту Yellow Book
Sync Head Users Data EDC Res ECC
Sync Head Users Data
12
4
2048
4
8
276
12
4
2336
Стандарт XA для чергування інформації різних типів
Sync Head Users Data EDC ECC
Sync Head Under Head Users Data EDC
12
8
2048
4
280
12
8
8
2324
4
Sync Head Under Head Users Data EDC ECC
12
8
8
2048
4
280
Sync – поле синхронізації; Head – заголовок; Under HEAD – підзаголовок; Users Data - дані;
EDC – код виявлення помилок; ECC – код корекції помилок; Res - резерв.
Блок містіть декілька секторів, кількість яких залежить від типу записаної інформації та
стандарту запису.
Поверхня диску поділена на три області:
вхідна (Lead In) – область в формі кільця, що ближче до центру диску. З цей області
починається читання диску, де розташовані: зміст диску (Volume Table of Contents –
VTOC); адреси записів; число заголовків, сумарний час запису (об'єм даних), назву диску
(Disc Label).
область даних.
вихідна область (Lead Out), що має мітку кінця диску.