Архитектура ЭВМ. Лекция 4 icon

Архитектура ЭВМ. Лекция 4


Смотрите также:
Неймана Термин «архитектура»...
А. В. Пальчиков архитектура ЭВМ и систем...
Вопросы к экзамену по курсу «Архитектура эвм»...
Вопросы к экзамену по курсу «Архитектура эвм»...
1. История развития архитектуры ЭВМ архитектура ЭВМ это то, что представляется пользователю...
Архитектура ЭВМ и язык ассемблера. Вопросы для подготовки к экзамену. III поток...
Рабочая программа дисциплины «Архитектура ЭВМ и систем» (наименование дисциплины) для...
Программа учебного курса «Архитектура ЭВМ и сетей»...
Рабочая программа дисциплины «архитектура ЭВМ и систем»...
Архитектура фон Неймана...
Архитектура персональных компьютеров ibm pc...
Лекция Архитектура ЭВМ (продолжение)...



Загрузка...
скачать
Архитектура ЭВМ. Лекция 4.

Содержание:

Порты COM, IrDa, LPT.

Шины USB и FireWire.

Технология IO2, ACPI. Архитектура AMR.

Интерфейс Serial ATA.

Архитектура контроллера IDE. Основные характеристики. Устройство жесткого диска. Логическая и физическая адресация данных.

Технология SMART. Контроллеры SCSI и FibreChannel. CD и DVD диски. Устройство, принципы работы с ними.

Внешние носители информации. Iomega, ZIP, JAZZ, LS-120, MO-Drive. Flash. Технология ETOX.

Подходы к улучшению производительности дисковой подсистемы. Уровни RAID 0-3.

Уровни RAID 4-7, 10, 30, 50.


Краткие итоги прошлой лекции.

Память и ее виды. Тезис Силина.

SIMM, DIMM, DDR, RIMM

Cхемы управления памятью: Схема с фиксированными разделами, Оверлейная структура, Виртуальная память(страничная, сегментная, гибридная).

Свопинг.

Кэш.

Системная шина.

Устройства вв-выв.

Шины расширений (ISA, EISA, VLB, PCI, AGP)


^ Часть 1. HDD.

Физ. Устройство HDD.

Почему жесткий. Сравнение с дискетами. Теперь используют алюминий, керамику, стекло. Покрытие – оксид железа или хрома.

Парковочная зона.

Состоит жесткий диск из двух основных блоков. Первый - это механический блок, включающий в себя непосредственно сами диски, двигатель вращения, блок магнитных головок и привод перемещения головок. Этот блок является герметичным и даже из любопытства не рекомендуется изучать его устройство на работающем винчестере :) В противном случае, вы потеряете не только данные, но и само устройство. Второй блок - блок электроники. Представляет из себя плату с напаянными элементами. На плате расположены микросхемы ОЗУ (рабочая память винчестера), ПЗУ с управляющей программой, DSP (цифровой сигнальный процессор) для обработки сигналов и основной управляющий процессор.

При форматировании в заводских условиях, на диск записывается специальная информация (сервоинформация). Это специальные метки, необходимые для поиска секторов, отслеживания положения головок и стабилизации частоты вращения диска.


Существует два способа адресации секторов. Первый способ - это форма логического адреса блока (LBA, Logical Block Address), или логическая форма, где секторы нумеруются линейно, начиная с 0.

Вторым способом адресации является форма "цилиндр-головка-сектор", (Cylinder-Head-Sector, CHS) или физическая форма, в которой адресация каждого сектора происходит триплетом "цилиндр-головка-сектор".

Чтобы преобразовать адреса из логической формы в физическую, необходимо знать, сколько головок приходится на цилиндр и сколько секторов на дорожке. Если общее число цилиндров также известно, можно определить объем диска. Количество цилиндров, головок на цилиндр, секторов на дорожке и называется дисковой геометрией.

Старым контроллерам и BIOS-ам требовалась адресация секторов в физической форме. Linux же везде использует логические адреса, исключая возможно самый нижний уровень, когда он транслирует их в физическую форму для контроллера. Linux не использует BIOS ни в чем, кроме как определения геометрии диска


Двигатель вращается с постоянной скоростью – rpm. Данные организованы на диске в цилиндрах, дорожках и секторах.

Цилиндры - концентрические дорожки на дисках, расположенные одна над другой. Дорожка затем разделяется на сектора. Диск имеет магнитный слой на каждой своей стороне.

Каждая пара головок одета как бы на "вилку", обхватывающую каждый диск. Эта "вилка" перемещается над поверхностью диска с помощью отдельного серводвигателя.

Современные винты могут иметь 1, 2 или более пластин. Не все их стороны – несущие информацию.

Все жесткие диски имеют резервные сектора, которые используются его схемой управления, если на диске обнаружены дефектные сектора.


HDD имеют скорость вращения от 5400 до 7200 об/м. Чем выше скорость вращения, тем выше скорость обмена данными. Следует только учесть, что при возрастании скорости вращения увеличивается температура корпуса жесткого диска и диски со скоростью 7200 об/мин требуют либо применения корпуса с продуманной для целей отвода тепла конструкцией, либо дополнительного охлаждения внешним вентилятором собственно диска. Вентилятора блока питания для этого недостаточно. Еще более высокооборотные диски со скоростью вращения 10000 об/мин, которые сейчас выпускают все без исключения фирмы-производители, требуют как хорошей вентиляции внутри корпуса, так и "правильного" корпуса, хорошо отводящего тепло. Жесткие диски на 15000 об/мин без принудительного обдува просто не рекомендуется использовать.


Головки

Физически максимально допустимое число головок за всю историю производства винчестеров было равно 11, но в современных накопителях более 6 головок не используется


^ Дорожки


Количество секторов на дорожке.

Каждый сектор несет не только данные, но и служебную информацию. В начале каждого сектора записывается его заголовок (prefix), по которому определяется начало и номер сектора, а в конце – заключение (suffix), в котором находится контрольная сумма (checksum, CRC), необходимая для проверки целостности данных.


^ Общий объем (байт) = C x H x S x 512 (байт),

где С — количество цилиндров; Н – количество головок; S — количество секторов


Современные IDE-контроллеры (начиная со стандартом ATA-2, EIDE) поддерживают универсальный режим транс­ляции, для которого главным параметром является общее количество секторов. В большинстве BIOS появилась функция «Autodetect», которая позволяет считывать и устанавливать паспортные параметры накопителя.

Сложности с определением размера диска – адресовались 16, 28 битами. Теперь 48 – вроде надолго хватит.

^

Логическая структура HDD


 Кроме того, что накопитель должен быть сконфигурирован в CMOS, его логическую структуру должна понимать операционная система. Для обращения к информации используется кластер (allocation unit) – минимальная логическая единица доступа к информации. Каждый кластер состоит из нескольких секторов (8 и более). Каждый кластер пронумерован и может быть либо свободен, либо монопольно занят для хранения определенного файла, даже если не все сектора внутри его заняты. Следовательно, даже файл размером несколько байт требует целого кластера. В результате, на каждом файле теряется около половины кластера. Чем больше размер кластера, тем больше потери. Использование кластеров позволяет ускорить работу, так количество кластеров существенно меньше количества секторов.


^ Время поиска/время переключения головок/время переключения между цилиндрами

        Время поиска (seek time) минимально только в случае необходимости операции с дорожкой, которая является соседней с той, над которой в данный момент находится головка. Наибольшее время поиска соответственно при переходе с первой дорожки на последнюю. Как правило, в паспортных данных на жесткий диск указывается среднее время поиска (average seek time).

^ Задержка позиционирования

       После того, как головка оказывается над желаемой дорожкой, она ждет появления требуемого сектора на этой дорожке. Это время называется задержкой позиционирования и также измеряется в миллисекундах (ms).

^ Время доступа к данным

       Время доступа к данным по сути - это комбинация из времени поиска, времени переключения головок и задержки позиционирования, измеряется также в миллисекундах (ms).

^ Кэш-память на жестком диске

       Как правило, на всех современных жестких дисках есть собственная оперативная память, называемая кэш-памятью (cache memory) или просто кэшем. Производители жестких дисков часто называют эту память буферной. Размер и структура кэша у фирм-производителей и для различных моделей жестких дисков существенно отличаются. Обычно кэш память используется как для записи данных так и для чтения, но на SCSI дисках иногда требуется принудительное разрешение кэширования записи, так обычно по умолчанию кэширование записи на диск для SCSI запрещено.


       Некоторые производители жестких дисков, такие как Quantum, используют часть кэша под свое программное обеспечение (для модели Quantum Fireball 1.3 Gb, например, под firmware занято 48 Kb из 128). Как нам кажется, более предпочтителен способ, используемый фирмой Western Digital. Для хранения firmware используются специально отведенные сектора на диске, невидимые для любых операционных систем. По включению питания эта программа загружается в обычную дешевую DRAM на диске и при этом отпадают затраты на микросхему флэш-памяти для хранения firmware. Такой способ позволяет легко исправлять встроенное программное обеспечение жесткого диска, что часто фирма Western Digital и делает.


^ Скорость обмена между процессором и диском

       Существует несколько способов физического сохранения данных на жестком диске. Определить способ отображения данных на диске можно, только используя различные программы определения быстродействия диска (benchmark). В программу Winbench 98/99 включен High-end тест жесткого диска, где оцениваются не достаточно отвлеченные в настоящее время 2 параметра - скорость передачи данных и время доступа, а проверяется, для каких задач и для каких наиболее популярных программ, активно работающих с диском, диск наиболее пригоден.


        Обычные жесткие диски используют "вертикальное" отображение. Данные записываются сначала на одном цилиндре сверху вниз, затем головки переходят на другой цилиндр и т.д.

        При "горизонтальном" отображении сначала данные записываются последовательно от цилиндра к цилиндру на поверхности одного диска, затем также на поверхности следующего диска и т.д. Такой способ лучше подходит для записи непрерывного высокоскоростного потока данных, например, при записи "живого" видео.


При тестировании таких дисков видно, что чем дальше от начальных цилиндров, тем хуже параметры диска. Это связано с тем, что на внешних дорожках размещается больше секторов и считывание/запись выполняется быстрее.

        Реально диск разделен на зоны, в каждую из которых входит обычно от 20 до 30 цилиндров с одинаковым количеством секторов. Эти зоны также называются "notches".


Чем выше плотность записи на диск, тем выше будет скорость считывания с него. Именно поэтому при оценке параметров диска следует внимательно смотреть на внутреннюю скорость передачи данных. Внутренняя скорость передачи данных прямо пропорциональна плотности записи на диск и скорости вращения шпинделя. Так как увеличивать скорость вращения диска достаточно сложно - увеличивается энергопотребление, шум, возникают проблемы с теплоотводом, то наиболее оптимальный путь повышения производительности - это увеличение плотности записи на диск. Именно поэтому современный жесткий диск со скоростью вращения 5400 об/мин легко опережает по производительности диск с 7200 об/мин, выпущенный двумя годами ранее. Все производители жестких дисков в первую очередь и заняты проблемой повышения плотности записи. При прочих равных условиях, из двух накопителей равной емкости быстрее будет работать накопитель с меньшим количеством дисков, т.е. с большей плотностью записи.


^ Файловые системы

       Как уже сообщалось ранее, жесткие диски поступают с завода-изготовителя уже отформатированными. Все программы низкоуровнего форматирования на самом деле не выполняют физического форматирования жесткого диска, а только полностью уничтожают содержимое диска. Различные операционные системы же своими программами форматирования создают лишь ЛОГИЧЕСКУЮ структуру диска. В настоящее время наиболее распространены файловые системы - FAT (MS-DOS, Windows 3.X, Windows 95/98), NTFS (Windows NT/2000), FAT32 (Windows 95/98) и HPFS (OS/2), ext2, 3, ReiserFS, WINFS.


FAT16

Старые ОС используют FAT для сохранения данных как на жестких дисках, так и гибких. В качестве одного элемента адресации на диске используется кластер, объединяющий несколько секторов(обычно 2). FAT - система с 16-ти разрядной адресацией и максимально возможное количество кластеров на одном логическом диске не превышает 65536. Соответственно максимальный размер одного кластера 32 Kb, так как максимальный размер логического диска 2 Gb.

FAT32
Попытка отказаться от ограничений классической FAT и видоизменить ее была тихо предпринята фирмой Microsoft в версии Windows 95 OEM service Release 2


Пара важных данных про логическую орг:

^ Загрузочный сектор главного раздела – Master Boot Record (MBR, Главная загрузочная запись) или Partition table (PT, Таблица разделов) – является первым сектором на жестком диске (занимает один или более секторов).

Загрузочная запись (Boot Record) занимает 32 первых сектора каждого логического диска (для первичного раздела – цилиндр 0, головка 1, сектор 1). Загрузочный сектор активного раздела получает управление от MBR. Он выполняет некоторые проверки и запускает с диска первый системный файл io.sys

Таблица размещения файлов (FAT) – основная часть файловой системы, давшая ей название.


NTFS (NT File System)
       После выхода Windows 2000 NTFS постепенно становится все более и более популярной. Основные отличия от FAT32 - неограниченный размер файлов (до 12 TBytes) и возможность управлять правами доступа к файлам и каталогам.

Форматирование


Итак, теперь мы можем определиться, что же на самом деле происходит при форматировании. В процессе низкоуровневого форматирования (заводского или специальными утилитами) дорожки разбиваются на сектора, формируется межсекторное пространство, записываются префиксы и суффиксы секторов. Во всех современных накопителях применяется зонная запись, при которой количество секторов на дорожке является переменным. Дорожки, более удаленные от центра, а значит, и более длинные, содержат большее количество секторов, и наоборот. Однако, BIOS «думает», что секторов на любой дорожке 63, преобразование осуществляется контроллером винчестера. При зонной записи цилиндры разбиваются на группы, которые называются зонами, причем в каждой зоне на дорожках свое количество секторов. Зон бывает 10 и более.

При форматировании высокого уровня в тома заносится загрузочный сектор тома (VBS – volume Boot Sector), записываются или переписываются таблицы FAT и корневой каталог. Как видно, данные не удаляются, всего лишь переписываются загрузочные данные для работы с операционной системой, и теряется их описание и каталог.


Установка ОС на винчестер.


S.M.A.R.T.
Self-Monitoring Analysis and Reporting Technolodgy - технология самоанализа и информирования. Заключается в создании механизма предсказания возможного выхода из строя жесткого диска и предотвращения тем самым потери данных. Была предложена фирмами COMPAQ и IBM.

Для анализа надежности жесткого диска используются две группы параметров. Первая характеризует параметры естественного старения жесткого диска:

  • количество циклов включения/выключения (старт/стоп)

  • количество оборотов двигателя за время работы

  • количество перемещений головок

Вторая группа параметров уже информирует о текущем состоянии качества накопителя. К этим параметрам относятся:

  • высота головки над поверхностью диска

  • скорость обмена данными между дисками и кэш-памятью на диске

  • количество переназначений плохих секторов (когда вместо испорченного сектора подставляется свободный исправный)

  • количество ошибок поиска

  • количество операций перекалибровки

  • скорость поиска данных на диске

В силу ограниченности технологии S.M.A.R.T (пользователь ставится перед свершившимся фактом - диск как-то почти сломался, его осталось только заменить), появились расширения способов предотвращения потери данных, разработанных отдельными фирмами-производителями жестких дисков.
Для примера можно рассмотреть технологию Data LifeguardTM  фирмы Western Digital. Основная ее идея - проверка через каждые восемь часов работы поверхности всего диска, выявление секторов, которые могут стать плохими и перенос информации на резервные нормальные области диска.


Фирма Quantum, начиная с серии жестких дисков Fireball Plus KA применила свою фирменную технологию Data Protection System (DPS), которая отличается от Data LifeguardTM доступной на WEB программой диагностики, позволяющей выявить возможные дефекты и во многих случаях устранить их. Quantum утверждает, что ее диагностическая программа способна "лечить" все диски, выпущенные этой компанией с июня 1996 года


^ Функция Bus Master

         Функция Bus Master введена в контроллеры EIDE с приходом процессоров Pentium. Что это такое? Классический способ приема данных от какого-либо устройства следующий - процессор выполняет команду чтения порта, считывает байт или слово данных в свой регистр, после чего переписывает этот байт или слово в память, затем повторяет эту процедуру до тех пор, пока вся необходимая информация не будет считана из устройства в память. Если бы процессору больше нечего было делать, то этот способ всех бы устраивал. Но с появлением многозадачных операционных систем стало слишком накладно использовать процессор для операций ввода/вывода. Поэтому контроллеры внешних устройств (EIDE в частности) стали оборудоваться как бы собственными процессорами ввода/вывода.

Тик, процессор программирует контроллер EIDE на шине PCI, указывая ему, откуда он должен взять данные и куда в память их положить. После получения этих указаний контроллер захватывает управление шиной PCI, а драйвер Bus Master управляет шиной доступа к памяти и совместно с контроллером выполняет операции по считыванию данных с жесткого диска или CD-ROM непосредственно в память с помощью контроллера прямого доступа в память (DMA - Direct Memory Access). При таком способе обмена данных процессор свободен после выдачи команд контроллеру EIDE и может заниматься любыми другими делами.

Проблемы аппаратного характера возникали с CDROM, зависания .


Часть 2. Интерфейсы. ATA (IDE), SATA, SCSI


Интерфейс ATA - ^ AT Attachment for Disk Drives - разрабатывался в 1986-1990гг. как средство подключения накопителей на жестких магнитных дисках к компьютерам IBM PC/AT с шиной ISA-Bus. Этот стандарт определяет набор регистров и назначение сигналов 40-контактного интерфейсного разъема. Интерфейс появился в результате переноса контроллера жесткого диска поближе к самому накопителю, то есть создания устройств со встроенным контроллером - IDE (Integrated Device Electronic). Фактически стандартный для PC/AT контроллер жесткого диска был перенесен на плату электроники накопителя с сохранением своей регистровой модели.

Подключать эти 40контактов к шине – неразумно, поэтому поставили небольшой контроллер-плату, которая из шины выбирала минимум необходимых сигналов и направляла их на эти 40 пинов.


Принятая система команд и регистров, являющаяся частью спецификации ATA, ориентирована на поблочный обмен данными с устройствами прямого доступа. Для иных устройств существует спецификация ATAPI, основанная на тех же аппаратных средствах, но позволяющая обмениваться пакетами управляющей информации (PI - Package Interface). Пакетный интерфейс позволяет расширить границы применения шины ATA.


Понятие ^ Ведущее устройство (Master) и ведомое. Правила.


Программный доступ PIO (Programmed Input/Output) выполняется в виде следующих друг за другом операций чтения или записи в пространстве ввода/ вывода по адресу регистра данных. [В отличие от программно-управляемого ввода/вывода, применяемого, например, для общения с LPT-портом, ] передача блока данных в режиме PIO производится без программного опроса какого-либо бита готовности для передачи каждого слова. Готовность устройства проверяется только перед началом передачи блока, после чего хост имеет право произвести серию операций в определенном темпе. Этот темп определяется выбранным режимом PIO Mode, для каждого из которых определены допустимые границы всех параметров временной диаграммы цикла обмена.

^ Обмен по каналу DMA в отличие от PIO занимает только шины ввода/вывода и памяти. Процессору требуется выполнить только процедуру инициализации канала, после чего до прерывания от устройства, полученному в конце передачи блока, он свободен (этой свободой могут воспользоваться только многозадачные системы). Режимы обмена по каналу DMA могут быть одиночными и множественными.

При множественном режиме (Multiword DMA) на сигнал запроса хост отвечает потоком циклов DMA. Если устройство не справляется с этим потоком, оно может приостановить поток, а по готовности к продолжению снова его установить. Множественный режим позволяет развивать более высокую скорость передачи.
Новейшее достижение в повышении скорости обмена - режимы ^ Ultra DMA, позволяющие достигнуть скорости передачи по шине ATA 33 Мбайт/с и обеспечить контроль достоверности передач, чего не делалось ни в PIO, ни в стандартных режимах DMA


ATA позволяет подключать устройства различных категорий, отличающихся "уровнем интеллекта" встроенного контроллера. Первые дисковые накопители IDE представляли собой просто аналог пары диск-контроллер ST-506/412, выполненной в едином конструктиве. Эти устройства с современной точки зрения были примитивными, за что и были впоследствии причислены к категории неинтеллектуальных устройств со встроенным контроллером –

  • ^ Non-Intelligent IDE. Эти устройства не выполняли трансляцию нумерации секторов - их логические параметры всегда совпадали с физическими. Команды идентификации устройства и установки параметров ими не выполнялись. Дефектные блоки, отмеченные в заводском списке и появляющиеся в процессе эксплуатации, были видны пользователю.

  • ^ Intelligent ATA IDE могут выполнять расширенные ATA-команды - идентификации устройства и установки параметров. Поддерживают возможность трансляции физических параметров в логические. Дефектные секторы они могут и прятать от пользователя (до исчерпания резерва).

  • ^ Intelligent Zoned Recording IDE. Поскольку они имеют различное количество секторов на разных треках (для повышения плотности хранения), режим трансляции геометрии является для них обязательным

Устройства IDE отличаются также и по другим признакам, определяемым интеллектуальностью контроллера: это и автоматический мониторинг внутренних параметров (например, SMART), и температурная коррекция системы позиционирования, и поддержка управления энергопотреблением, и различные усовершенствования, направленные на повышение производительности.


Аппаратно-программный интерфейс ^ ATAPI (ATA Package Interface - пакетный интерфейс ATA). При подаче команды Packet регистр свойств содержит признаки команды - использование для обмена данными канала DMA, возможность перекрывающегося выполнения. Структура командного пакета позаимствована из SCSI.

^

ATA4 & SCSI


Недостаток ATA: при применении в многозадачных системах является то, что когда одно устройство на шине исполняет команду, другое устройство использоваться не может. В этом интерфейс ATA существенно уступает SCSI, где устройства на время выполнения длительной внутренней операции может освобождать шину, и, кроме того, имеется эффективный механизм организации очередей процессов ввода/вывода.

ATA-4 определяет возможности параллельного выполнения команд обоими устройствами и создания очередей. Возможность перекрытия команд - Overlaped Feature - позволяет устройству, занятому длительной внутренней операцией освободить шину для того, чтобы ее было можно использовать для обмена с другим устройством шины. Принятый механизм продолжения менее эффективен, чем в SCSI - он требует привлечения ресурсов хоста для обнаружения готовности устройства. Перекрытие допускается только для нескольких новых команд интерфейса ATA-4.


SCSI

Системный интерфейс малых компьютеров SCSI (Small Computer System Interface) стандартизован ANSI еще в 1986 году. Предназначен для соединения устройств различных классов - памяти прямого и последовательного доступа, CD-ROM, оптических дисков однократной и многократной записи, устройств автоматической смены носителей информации, принтеров, сканеров, коммуникационных устройств и процессоров.

Физически интерфейс является 8-битной параллельной шиной с тактовой частотой 5 МГц, состоящую из 25 сигнальных цепей. Шина допускает подключение до 8 устройств, скорость передачи данных в первоначальной версии достигала 5 Мбайт/с. Впоследствии (1991 г.) появилась новая спецификация - SCSI-2, расширяющая возможности шины как в количественных, так и в качественных показателях. Тактовая частота шины Fast SCSI-2 достигает 10 МГц, а Ultra SCSI-2 - 20 МГц.

Поддержка устройствами возможности исполнения цепочек команд, очередей (до 256 команд) и независимости их работы друг от друга обуславливают высокую эффективность применения SCSI в многозадачных системах.

SCSI-3 - дальнейшее развитие стандарта, направленное на увеличение количества подключаемых устройств, спецификацию дополнительных команд, поддержку Plug and Play.


Ultra160 SCSI

Ultra 320 SCSI


Ultra4 SCSI тоже поддерживает CRC (cyclic redundancy code) и проверку максимальной поддерживаемой скорости (domain validation) для обеспечения совместимости со старыми устройствами, имеющими низкую производительность


Serial Attached SCSI

Теоретически и практически, в реализации очередной версии – SCSI Ultra 640 – нет ничего невозможного. Производители вполне могли бы выпустить соответствующие продукты и еще какое-то время откладывать смену интерфейсов. Но есть один маленький нюанс – большинство пользователей до сих пор уверены, что Ultra 640 физически нереализуем, на самом же деле по ряду объективных причин он был бы просто несовместим с предыдущими версиями SCSI. По сути, мы бы получили хоть и параллельный, но все же новый интерфейс, требующий замены всего существующего парка оборудования в системах хранения данных. Получается, что так или иначе, а кардинальные изменения все же были бы. Поэтому поскольку перемены неизбежны, нужно постараться извлечь из них максимальную пользу.

Кроме проблем с перекрестными наводками при передаче данных на высоких скоростях, Parallel SCSI имел еще некоторые ограничения, осложнявшие работу с ним: максимальное число подключаемых устройств (16 в одной цепочке) и длину кабеля (суммарно не более 12 м), необходимость терминирования и ручной установки ID накопителей, разделение полосы пропускания между всеми подключенными приводами.

это устранено в SAS – соединение «точка-точка» дает вделенную полосу пропускания для каждого диска, предельная длина кабеля составляет до 8 м на один порт (увеличивается с помощью SAS-расширителей), количество адресуемых устройств в одном домене возросло до 16 256, вместо ручной установки ID используются уникальные номера (WWN – World Wide Number), присваиваемые каждому из них еще на этапе производства. Пропускная способность нового интерфейса на сегодняшний день равна 3 Gbps, в следующих версиях она возрастет сначала до 6, а затем до 12 Gbps. Разъемы для внешних SAS-устройств рассчитаны на подключение до четырех накопителей и обеспечивают полосу пропускания 1,2 Gbps в одном направлении.

+ полная поддержка горячего подключения и сортировка очереди команд.


Также сохраняется полная механическая и электрическая совместимость с SATA, т. е. SAS-контроллер одновременно работает как c SATA-, так и с SAS-дисками (но не наоборот) – гетерогенные архитектуры.


^ Что такое IDE & ATA.

Первые стандарты для винчестеров IDE были разработаны компаниями Western Digital и Compaq Computer в 1986 г

Единственным различием между IDE и ATA является то, что IDE определяет спецификацию на электронику винчестеров, а ATA – на интерфейсное соединение между HDD и ПК; тем не менее данные термины используются как слова-синонимы.

Поколений ATA было много. Сейчас используется ATA-4. Каждое новое поколение отличалось от предыдущего расширенным набором поддерживаемых протоколов и, как следствие, повышенной скоростью.


Чтобы получить конкурентное преимущество, компания Quantum с Intel разработала новую версию интерфейса для настольных жестких дисков – спецификацию Ultra ATA, также известную под названиями Ultra ATA/33, Ultra DMA33, ATA/ATAPI-4, Ultra DMA 2. Благодаря использованию обоих фронтов передаваемого сигнала эффективная рабочая частота возросла в два раза, соответственно и скорость передачи данных по интерфейсу увеличилась с 16,6 до 33,3 MBps. Кроме того, для повышения надежности в Ultra ATA был введен циклический контрольный код (CRC). Этот стандарт определял следующие режимы: Ultra DMA Mode 0, 1 и 2 (скорости 16,6; 25,0 и 33,3 MBps). Параллельно разрабатывался стандарт PIO Mode 5, но он обеспечивал скорость передачи всего 22,2 MBps и не имел режима прямого доступа к памяти, а потому так и не был реализован.


Увеличение пропускной способности оказалось очень кстати ввиду возрастания скорости чтения с пластин. Уже в 1998 г. была разработана следующая версия – Ultra ATA/66 (ATA/ATAPI-5). Стандарт предусматривал очередное увеличение скорости (до 66,6 MBps), а также смену кабеля с 40- на 80-жильный.

Компании же ориентировались на другой стандарт – Serial ATA, поскольку недостатки обычного АТА (параллельного АТА) проявились еще при разработке Ultra ATA/100. Дальнейшее наращивание пропускной способности ограничивалось физически многожильным IDE-кабелем.


Два основных интерфейса: IDE (Enhanced IDE) и SCSI.

На любой материнской плате, выпущенной после 1996 года, можно обнаружить контроллер EIDE. Это, а также существенно более низкая стоимость IDE дисков по сравнению со SCSI объясняет значительное превосходство IDE дисков в количественном выражении над SCSI.

        EIDE имеет два канала (primary - первичный и secondary - вторичный), к каждому из которых можно подключить до двух устройств (всего четыре). С интерфейсом IDE в настоящее время, кроме жестких дисков, выпускаются также приводы CD-ROM, накопители Iomega Zip, накопители на магнитной ленте.

Пока очень незначительное количество материнских плат выпускаются с контроллером SCSI. Сканеры, магнитооптические накопители, устройства записи для CD и т.п. выпускаются как с интерфейсом SCSI, так и с IDE.

Если машина не будет получать существенных нагрузок, SCSI диск НЕ ДАСТ НИКАКИХ ОЩУТИМЫХ ПРЕИМУЩЕСТВ по сравнению с EIDE диском при прочих равных. Выигрыш будет только в снижении нагрузки на центральный процессор за счет использования процессора SCSI контроллера. Интерфейс SCSI позволяет подключать до 7 устройств, а Wide SCSI до 14 устройств. Существуют также многоканальные SCSI контроллеры, позволяющие подключить и большее количество устройств.


Основной недостаток интерфейса EIDE - отсутствие "интеллекта". Если на одном канале подключены жесткий диск и накопитель CD-ROM, то в случае обращения к CD-ROM процессор будет ожидать завершения операций с CD-ROM, прежде чем сможет обратиться к жесткому диску. Каналы EIDE в современных контроллерах EIDE, как правило, достаточно независимы друг от друга. Для повышения производительности EIDE были разработаны и стандартизованы режимы :

  • PIO (Programming Input Output - программируемый ввод/вывод)

  • single word DMA (обмен одиночными словами в режиме DMA - Direct Memory Access - прямого доступа к памяти)

  • multi word DMA (обмен несколькими словами в режиме DMA)


SCSI интерфейс имеет несколько разновидностей, которые совместимы друг с другом (достаточно иметь пассивные переходники). 8 бит (50-ти контактный разъем) или 16 бит (68-и контактный разъем для Wide SCSI). Частота шины может быть 5 MHz (SCSI 1), 10 MHz (Fast SCSI), 20 MHz (Fast-20 or Ultra SCSI) or 40 MHz (Ultra-2 SCSI). Активно внедрялся стандарт Ultra2 SCSI LVD, являющийся разновидностью Ultra2 SCSI.

Теперь более популярен стандарт Ultra160 SCSI

В EIDE сейчас также используется механизм обнаружения ошибок с помощью CRC (циклический контрольный код). Это позволяет избежать ошибок при приеме/передаче данных, так как при получении данных с ошибкой пересылка данных повторяется снова.


        Стоимость высокоскоростных SCSI дисков в 2-3 раза выше лучших дисков IDE такой же емкости. SCSI диски будут все более уходить в сферу специальных задач - на сервера и мощные рабочие станции. Начиная с середины 1999 года отпала необходимость в применении SCSI дисков для работы с видеопотоками, хотя несколькими годами ранее использование IDE дисков для записи видео даже не обсуждалась.


SATA II


. На прошедшем весной 2000 г. Intel Developer Forum (IDF) корпорация Intel и др. образовали группу по выработке спецификации и продвижению на рынок нового интерфейса — Serial ATA.

проблемой стало отсутствие для пользователя видимых преимуществ от данного стандарта – материнские платы с контроллерами SATA стоили значительно дороже, и их было сложно найти. То же касалось и жестких дисков, поскольку не стали специально разрабатывать винчестеры под новый стандарт, а просто установили на старые Parallel ATA-диски мост PATA-to-SATA.


SATA 1.0 не принес ничего, кроме «тонких интерфейсных кабелей».

Планировалось, что поддержка NCQ (Native Command Queuing) сильно улучшит показатели винчестеров. Однако появилась версия SATA 1.0a, в которой сортировка очереди команд уже была реализована.

Т.о. кроме расширения пропускной способности интерфейса со 150 до 300 MBps ничего важного и нет.

Современные жестких дисков сейчас демонстрируют пиковую скорость считывания с пластин около 75 MBps - возможностей SATA 1.0 хватает. А вот использование «широких» шин в SATA RAID-контроллерах (PCI-X, PCI-E) вместо традиционной PCI уже стало насущной необходимостью. Судите сами: скорость чтения на внешних дорожках в случае RAID 0 из двух дисков составляет порядка 150 MBps, а при использовании четырех дисков она увеличивается до 300 MBps, так что даже производительность RAID 0 с минимальным количеством винчестеров уже перешагнула предел шины PCI и становится узким местом.


Есть механизм реализации горячего подключения накопителей, отсутствовавший в первой версии стандарта, и доработка протокола взаимодействия хост-контроллера с диском с целью снижения задержек, и еще ряд небольших дополнений.

В целом, вторая версия SATA является скорее стандартизацией тех возможностей SATA, которые ранее были отданы на откуп производителям жестких дисков/контроллеров, а не чем-то радикально новым.

В планах разработчиков SATA в дальнейшем значится увеличение скорости до 600 MBps, хотя и не совсем ясно, для чего. Более интересным, с точки зрения дальнейшего роста быстродействия, было бы улучшение «интеллектуальных способностей» контроллера жесткого диска, что, возможно, мы также увидим в следующей версии интерфейса.


^ Перспективы HDD.

Производители винчестеров приучили покупателей к довольно жестким срокам обновления своих модельных рядов. Раз в полгода плотность записи и, соответственно, емкость пластин увеличивались на 40%, и, как следствие, на рынке появлялись новые диски все большего объема. За год емкость HDD выросла вдвое. Это приводило к достаточно быстрому снижению цен на модели среднего уровня. Зачастую реальной необходимости в смене диска, приобретенного год назад, у пользователя не возникало, но рост плотности записи давал не только "прибавку в весе" новым моделям HDD, но и существенно увеличивал скорости линейного чтения и записи. К тому же по финансовым соображениям обновлять HDD имело смысл не реже одного раза в 12 месяцев, потому как за ту же стоимость можно было приобрести винчестер чуть ли не вдвое большего объема, чем 6 месяцев назад.


Сейчас небольшая неразбериха на рынке – SATA(II), NCQ(Native Copy Query

Производители настолько разогнались в соревновании по поводу того, у кого выше плотность записи, емкость и чаще обновляются модельные ряды, что не заметили одной простой вещи – массовому пользователю не нужны такие темпы, объемы, скорости. Более того, есть такая небольшая, но в то же время очень неприятная проблема, имя которой "технологический предел". И вот в области увеличения плотности записи он уже практически достигнут

Существовавшая "гонка вооружений" в секторе HDD привела не только к насыщению рынка, но и исчерпала на сегодняшний день практически все технологические резервы разработчиков. Получается классическая ситуация – "верхи" (производители) не могут обеспечить ими же самими заданные темпы, а "низы" (покупатели) просто не хотят эти темпы оплачивать. В итоге мы наблюдаем сейчас войну пресс-релизов, а не реальных продуктов.


Первый тревожный звоночек прозвучал во времена снижения срока гарантии на жесткие диски с 3 лет до 1 года.


^ Теперь адаптивное форматирование: жесткого понятия плотность записи на пластину более не существует. Она различается не только от пластины к пластине и от модели к модели, но и может быть разной для каждой рабочей поверхности.

Например, внешние, самые быстрые, дорожки "отрезаются" от рабочей зоны. Шаг очевидный – на них наиболее велик риск повреждения данных. Кроме того, уменьшается линейная плотность записи – число секторов на дорожку.

Когда емкость каждой рабочей поверхности различается даже среди дисков одной серии, говорить о каком-то сравнительном анализе быстродействия просто не приходится.

"технологический предел", о котором мы говорили в начале статьи. 125 GB, 133 GB – тот максимум, на который можно рассчитывать при существующих технологиях записи.


Производители ожидают скорого внедрения технологии "перпендикулярной записи", что позволит не только дальше наращивать объем пластин, но и вернуть темпы увеличения плотности записи, существовавшие совсем недавно. То есть гонка только замерла на время, а не прекратилась совсем. В ближайшем будущем все вернется на круги своя. Разумеется, до следующего "порога".
^

Перпендикулярная запись


Сущность сводится к тому, что намагничивание носителя осуществляется по нормали к его поверхности. В традиционной продольной записи намагничиваемые участки носителя ориентированы параллельно его поверхности (см. схему).



То есть при обычной записи биты информации располагаются параллельно плоскости диска, а при перпендикулярной - под прямым углом к ней. Потенциально, при перпендикулярной записи можно разместить значительно больше информации на единицу площади носителя. Первые разработки в этой области появились около 20 лет назад, но из-за усложненности технологии они не находили практического применения.

Ожидается 5-10 кратное увеличение объемов. 


2006 IDF

  1. Seagate продемонстрировала свой первый однодюймовый накопитель с интерфейсом CE-ATA – для маленьких устройств – гаджетов, продвигается уже два года.

  2. 1 мире внешний жесткий диск , подключаемый к компьютеру по беспроводному интерфейсу Wireless USB.

  3. полутерабайтная Барракуду 7200.9, состоящую из четырех пластин по 125 Гбайт.

  4. Silicon Image продемонстрировала новый однопортовый SATAII-контроллер SiI 3531 для шины PCI Express x1

  5. было представлено много готовых решений для интерфейса SAS, который в скором времени должен вытеснить с рынка SCSI-накопители

  6. Поддержка SAS на WinVista 32 & 64

  7. RAID системы – ожидается нарушение закона Мура – быстрейший рост необходимых объемов.



Часть 3. RAID системы

Технология RAID (Redundant Array of Independent Disks — избыточный массив независимых дисков) имеет несколько реализаций, и две из них популярны в настольных системах.

Именно так был представлен RAID своими исследователями Петтерсоном(David A. Patterson), Гибсоном(Garth A. Gibson) и Катцом(Randy H. Katz) в 1987 году.


Пара слов о подключении устройства.


Принцип функционирования : из набора дисковых накопителей создается массив, который управляется специальным контроллером и определяется компьютером как единый логический диск большой емкости. За счет параллельного выполнения операций ввода-вывода обеспечивается высокое быстродействие системы, а повышенная надежность хранения информации достигается дублированием данных или вычислением контрольных сумм. Следует отметить, что применение RAID-массивов защищает от потерь данных только в случае физического отказа жестких дисков.

Различают несколько основных уровней RAID-массивов: RAID 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Также существуют комбинированные уровни, такие как RAID 10, 0+1, 30, 50, 53

Три основных варианта реализации RAID систем:

  • программная (software-based);

  • аппаратная - шинно-ориентированная (bus-based);

  • аппаратная - автономная подсистема (subsystem-based).

Неизвестно что лучше.

Каждая из вышеперечисленных реализаций базируется на исполнении программного кода. Отличаются они фактически тем, где этот код исполняется: в центральном процессоре компьютера (программная реализация) или в специализированном процессоре на RAID контроллере (аппаратная реализация).

Главное преимущество программной реализации - низкая стоимость. Но при этом у нее много недостатков: низкая производительность, загрузка дополнительной работой центрального процессора, увеличение шинного трафика. Программно обычно реализуют простые уровни RAID - 0 и 1, так как они не требуют значительных вычислений. Учитывая эти особенности, RAID системы с программной реализацией используются в серверах начального уровня.

^ Аппаратные реализации RAID соответственно стоят больше чем программные, так как используют дополнительную аппаратуру для выполнения операций ввода вывода. При этом они разгружают или освобождают центральный процессор и системную шину и соответственно позволяют увеличить быстродействие.

Шинно-ориентированные реализации представляют собой RAID контроллеры, которые используют скоростную шину компьютера, в который они устанавливаются (в последнее время обычно используется шина PCI).


Линейный RAID —представляет собой простое объединение дисков, создающее большой виртуальный диск. В линейном RAID, блоки выделяются сначала на одном диске, включенном в массив, затем, если этот заполнен, на другом и т.д. Такое объединение не даёт выигрыша в производительности, так как скорее всего операции ввода/вывода не будут распределены между дисками. Линейный RAID также не содержит избыточности и, в действительности, увеличивает вероятность сбоя — если всего одни диск откажет, весь массив выйдет из строя. Ёмкость массива равняется суммарной ёмкости всех дисков.


^ RAID 0 Дисковый массив без отказоустойчивости (Striped Disk Array without Fault Tolerance)

информацию распределяет сразу по всем входящим в массив дискам в виде небольших блоков («страйпов»).

Преимущества:

  • наивысшая производительность в приложениях, требующих интенсивной обработки запросов ввода/вывода и данных большого объема;

  • простота реализации;

  • низкая стоимость;

  • максимальная эффективность использования дискового пространства — 100%.

Недостатки:

  • не является "настоящим" RAID`ом, поскольку не поддерживает отказоустойчивость;

  • отказ одного диска влечет за собой потерю всех данных массива.


^ RAID 1 Дисковый массив с зеркалированием (Mirroring & Duplexing)

Дисковый массив с дублированием информации (зеркалированием данных). В простейшем случае два накопителя содержат одинаковую информацию и являются одним логическим диском.

Преимущества:

  • простота реализации;

  • простота восстановления массива в случае отказа (копирование).

Недостатки:

  • высокая стоимость — 100-процентная избыточность;

  • невысокая скорость передачи данных.


^ RAID 2
Отказоустойчивый дисковый массив с использованием кода Хемминга (Hamming Code ECC)


Схема резервирования данных с использованием кода Хэмминга (Hamming code) для коррекции ошибок. Поток данных разбивается на слова — причем размер слова соответствует количеству дисков для записи данных. Для каждого слова вычисляется код коррекции ошибок, который записывается на диски, выделенные для хранения контрольной информации. Их число равно количеству бит в слове контрольной суммы.


^ RAID 2 не получил коммерческого применения

Если слово состоит из четырех бит, то под контрольную информацию отводится три диска. RAID 2 — один из немногих уровней, позволяющих обнаруживать двойные ошибки и исправлять "на лету" одиночные. При этом он является самым избыточным среди всех уровней с контролем четности. Эта схема хранения данных не получила коммерческого применения, поскольку плохо справляется с большим количеством запросов.

Преимущества:

  • достаточно простая реализация;

  • коррекция ошибок "на лету";

  • очень высокая скорость передачи данных;

  • при увеличении количества дисков накладные расходы уменьшаются.

Недостатки:

  • низкая скорость обработки запросов;

  • высокая стоимость;

  • большая избыточность.

RAID 3
Отказоустойчивый дисковый массив с параллельной передачей данных и четностью (Parallel Transfer Disks with Parity)


Отказоустойчивый массив с параллельным вводом/выводом данных и диском контроля четности. Поток данных разбивается на порции на уровне байт (хотя возможно и на уровне бит) и записывается одновременно на все диски массива, кроме одного. Один диск предназначен для хранения контрольных сумм, вычисляемых при записи данных. Поломка любого из дисков массива не приведет к потере информации.


 

^ В RAID 3 информация разбивается на порции одинакового размера

Этот уровень имеет намного меньшую избыточность, чем RAID 2. Во втором рэйде большинство дисков, хранящих контрольную информацию, нужны для определения неисправного разряда. Как правило, RAID-контроллеры могут получить данные об ошибке с помощью механизмов отслеживания случайных сбоев. За счет разбиения данных на порции RAID 3 имеет высокую производительность. Поскольку при каждой операции ввода/вывода производится обращение практически ко всем дискам массива, то одновременная обработка нескольких запросов невозможна.

Этот уровень подходит для приложений с файлами большого объема и малой частотой обращений (в основном это сфера мультимедиа). Использование только одного диска для хранения контрольной информации объясняет тот факт, что коэффициент использования дискового пространства достаточно высок (как следствие этого — относительно низкая стоимость). Для реализации массива требуется не меньше трех винчестеров.

Преимущества:

  • отказ диска мало влияет на скорость работы массива;

  • высокая скорость передачи данных;

  • высокий коэффициент использования дискового пространства.

Недостатки:

  1. сложность реализации;

  2. низкая производительность при большой интенсивности запросов данных небольшого объема.

RAID 4
Отказоустойчивый массив независимых дисков с общим диском четности (Independent Data Disks with Shared Parity Disk)


Этот массив очень похож на уровень RAID 3. Поток данных разделяется не на уровне байтов, а на уровне блоков информации, каждый из которых записывается на отдельный диск. После записи группы блоков вычисляется контрольная сумма, которая записывается на выделенный для этого диск.


^ В RAID 4 поток данных разделяется на блоки

У RAID 4 возможно одновременное выполнение нескольких операций чтения. Этот массив повышает производительность передачи файлов малого объема (за счет распараллеливания операции считывания). Но поскольку при записи должна изменяться контрольная сумма на выделенном диске, одновременное выполнение операций невозможно (налицо асимметричность операций ввода и вывода). Этот уровень имеет почти все недостатки RAID 3 и не обеспечивает преимущества в скорости при передаче данных большого объема. Схема хранения разрабатывалась для приложений, в которых данные изначально разбиты на небольшие блоки, поэтому нет необходимости разбивать их дополнительно. Эта схема хранения данных имеет невысокую стоимость, но ее реализация достаточно сложна, как и восстановление данных при сбое.

Преимущества:

  • высокая скорость передачи данных;

  • отказ диска мало влияет на скорость работы массива;

  • высокий коэффициент использования дискового пространства.

Недостатки:

  • достаточно сложная реализация;

  • очень низкая производительность при записи данных;

  • сложное восстановление данных.

RAID 5
Отказоустойчивый массив независимых дисков с распределенной четностью (Independent Data Disks with Distributed Parity Blocks)


Самый распространенный уровень. Блоки данных и контрольные суммы циклически записываются на все диски массива, отсутствует выделенный диск для хранения информации о четности, нет асимметричности конфигурации дисков.

В случае RAID 5 все диски массива имеют одинаковый размер — но один из них невидим для операционной системы. Например, если массив состоит из пяти дисков емкостью 10 Гб каждый, то фактически размер массива будет равен 40 Гб — 10 Гб отводится на контрольные суммы. В общем случае полезная емкость массива из N дисков равна суммарной емкости N–1 диска.

 

^ В RAID 5 отсутствует выделенный диск для хранения информации о четности

Самый большой недостаток уровней RAID от 2-го до 4-го — это наличие отдельного диска (или дисков), хранящего информацию о четности. Скорость выполнения операций считывания достаточно высока, так как не требует обращения к этому диску. Но при каждой операции записи на нем изменяется информация, поэтому схемы RAID 2-4 не позволяют проводить параллельные операции записи. RAID 5 не имеет этого недостатка, так как контрольные суммы записываются на все диски массива, что делает возможным выполнение нескольких операций чтения или записи одновременно. RAID 5 имеет достаточно высокую скорость записи/чтения и малую избыточность.

Преимущества:

  1. высокая скорость записи данных;

  2. достаточно высокая скорость чтения данных;

  3. высокая производительность при большой интенсивности запросов чтения/записи данных;

  4. высокий коэффициент использования дискового пространства.

Недостатки:

  • низкая скорость чтения/записи данных малого объема при единичных запросах;

  • достаточно сложная реализация;

  • сложное восстановление данных.

RAID 6
Отказоустойчивый массив независимых дисков с двумя независимыми распределенными схемами четности (Independent Data Disks with Two Independent Distributed Parity Schemes)


RAID 6 — это отказоустойчивый массив независимых дисков с распределением контрольных сумм, вычисленных двумя независимыми способами. Этот уровень во многом схож с RAID 5. Только в нем используется не одна, а две независимые схемы контроля четности, что позволяет сохранять работоспособность системы при одновременном выходе из строя двух накопителей. Для вычисления контрольных сумм в RAID 6 используется алгоритм, построенный на основе кода Рида-Соломона (Reed-Solomon).

 

^ RAID 6 использует две независимые схемы контроля четности

Этот уровень имеет очень высокую отказоустойчивость, большую скорость считывания (данные хранятся блоками, нет выделенных дисков для хранения контрольных сумм). В то же время из-за большого объема контрольной информации RAID 6 имеет низкую скорость записи. Он очень сложен в реализации, характеризуется низким коэффициентом использования дискового пространства: для массива из пяти дисков он составляет всего 60%, но с ростом числа дисков ситуация исправляется.

RAID 6 по многим характеристикам проигрывает другим уровням, поэтому на сегодня не получил коммерческого применения.

Преимущества:

  • высокая отказоустойчивость;

  • достаточно высокая скорость обработки запросов;

Недостатки:

  • низкая скорость чтения/записи данных малого объема при единичных запросах;

  • очень сложная реализация;

  • сложное восстановление данных;

  • низкая скорость записи данных.

RAID 7
Отказоустойчивый массив, оптимизированный для повышения производительности (Optimized Asynchrony for High I/O Rates as well as High Data Transfer Rates)


В отличие от других уровней, RAID 7 не является открытым индустриальным стандартом — это зарегистрированная торговая марка компании Storage Computer Corporation. Массив основывается на концепциях, использованных в третьем и четвертом уровнях. Добавилась возможность кэширования данных. В состав RAID 7 входит контроллер со встроенным микропроцессором под управлением операционной системы реального времени (real-time OS). Она позволяет обрабатывать все запросы на передачу данных асинхронно и независимо.

^ RAID 7 – зарегистрированная торговая марка компании Storage Computer Corporation

Блок вычисления контрольных сумм интегрирован с блоком буферизации; для хранения информации о четности используется отдельный диск, который может быть размещен на любом канале. RAID 7 имеет высокую скорость передачи данных и обработки запросов, хорошую масштабируемость. Самым большим недостатком этого уровня является стоимость его реализации.

Преимущества:

  • очень высокая скорость передачи данных и высокая скорость обработки запросов (в 1,5…6 раз выше других стандартных уровней RAID);

  • хорошая масштабируемость;

  • значительно возросшая (благодаря наличию кэша) скорость чтения данных небольшого объема;

  • отсутствие необходимости в дополнительной передаче данных для вычисления четности.

Недостатки:

  • собственность одной компании;

  • сложность реализации;

  • очень высокая стоимость на единицу объема;

  • не может обслуживаться пользователем;

  • необходимость использования блока бесперебойного питания для предотвращения потери данных из кэш-памяти;

  • короткий гарантийный срок.


RAID 1 Enhanced (RAID 1E) комбинирует mirroring и data striping. Эта смесь уровней 0 и 1 устроена следующим образом. Данные в ряду распределяются точь-в-точь так, как в RAID 0. То есть ряд данных не имеет никакой избыточности. Следующий ряд блоков данных копирует предыдущий со сдвигом на один блок. Таким образом как и в стандартном режиме RAID 1 каждый блок данных имеет зеркальную копию на одном из дисков, поэтому полезный объем массива равен половине суммарного объема входящих в массив жестких дисков. Для работы RAID 1E требуется объединение трех или более дисков.


^ RAID 5 Enhanced (RAID 5E). Это то же самое что и RAID5, только со встроенным в массив резервным диском spare drive. Это встраивание производится следующим образом: на всех дисках массива оставляется свободным 1/N часть пространства, которая при отказе одного из дисков используется в качестве горячего резерва. За счет этого RAID5E демонстрирует наряду с надежностью лучшую производительность, так как чтение/запись производится параллельно с бОльшего числа накопителей одновременно и spare drive не простаивает, как в RAID5. Полезный объем логического тома вычисляется по формуле N-2.


^ RAID 5E Enhanced (RAID 5EE) подобен уровню RAID level-5E, но он имеет более эффективное распределение spare drive и, как следствие, - более быстрое время восстановления. Как и уровень RAID5E, этот уровень RAID распределяет в рядах блоки данных и контрольных сумм. Но он также распределяет и свободные блоки spare drive, а не просто оставляет под эти цели часть объема диска. Это позволяет уменьшить время, необходимое на реконструкцию целостности тома RAID5EE. Входящий в том резервный диск нельзя делить с другими томами - как и в предыдущем случае. Том RAID 5EE строится минимум на четырех физических дисках. Полезный объем логического тома вычисляется по формуле N-2.


RAID 10.
Суть этого уровня в том, что диски массива объединяются парами в "зеркала" (RAID 1), а затем все эти зеркальные пары в свою очередь объединяются в общий массив с чередованием (RAID 0). Именно поэтому его иногда обозначают как RAID 1+0. Важный момент - в RAID 10 можно объединить только четное количество дисков (минимум - 4, максимум - 16). Достоинства: от "зеркала" наследуется надежность, от "нуля" - производительность как на чтение, так и на запись.

RAID 1Е0.
Этот уровень реализуется так: мы создаем "нулевой" массив из массивов RAID1E. Следовательно, общее количество дисков должно быть кратно трем: минимум три и максимум - шестьдесят! Преимущество в скорости при этом мы вряд ли получим, а сложность реализации может неблагоприятно отразиться на надежности. Главное достоинство - возможность объединить в один массив очень большое (до 60) количество дисков.


RAID 1+0, RAID 3+0, RAID 5+0 - фактически это массив RAID 0, но вместо дисков используются массивы RAID 1, 3, 5 соответственно.


^ Часть 4. CD, DVD.

Любое взаимодействие между объектами, в процессе которого один приобретает некоторую субстанцию, а другой ее не теряет, называется информационным взаимодействием. При этом передаваемая субстанция называется Информацией.


Все члены семейства КД представляют собой диск диаметром 120 мм, имеющий в центре отверстие диаметром 15 мм. Толщина диска – 1.2 мм.

Конструктивно диск представляет собой трехслойный «пирог»:




Для чтения информации с КД используется луч лазера ИК диапазона . Луч подается на вращающийся диск со стороны подложки, отражается от отражающего слоя и возвращается на специальный фотоприемник. При попадании луча на питы и лэнды интенсивность отраженного луча меняется. В итоге, на выходе фотоприемника формируется электрический сигнал, повторяющий по форме информационный рисунок на поверхности компакт-диска.

^ Особенности оптического способа считывания информации – царапины и непрозрачность подложки для обычного света.


Первым в семействе КД появился Compact Disc Digital Audio (CD DA)

Остальные форматы фактически являются надстройкой над этим форматом.


Режим проигрывания называется CLV (^ Constant Linear Velocity) – Постоянная Линейная Скорость. Для поддержания постоянной линейной скорости проигрыватель вынужден постоянно менять скорость вращения диска.

^ С появлением CD-ROM возникла необходимость повышения скорости чтения информации. Появились устройства с 2х, 4х и большими значениями скоростей чтения.

При смене трека нужно менять скорость вращения диска – неудобство, т.к.увеличивается время доступа.

^ Решение - CAV ( Constant Angle Velocity ) – Постоянная Угловая Скорость. В этом режиме скорость вращения диска остается постоянной, а скорость чтения информации меняется (растет от центра диска к краю)


^ Информационная дорожка начинается c LeadIn, заканчивается LeadOut.Посредине – program area.

Program Area делится на треки(1..99), а треки на индексы(0..99).

При формировании структуры компакт-диска адреса всех треков (а точнее, индексов 1 каждого трека) собираются в таблицу в формате MSF и записываются во вводную дорожку КД (Lead-In). Таблица с адресами треков называется TOC (Table Of Content) – таблица содержания диска.

При проигрывании КД выполняется обратный процесс – процесс декодирования. Коррекция ошибок выполняется с помощью кода Рида-Соломона. Если повреждения диска значительны, и код Рида-Соломона с ними не справляется, проигрыватель использует алгоритмы интерполяции звука, вычисляя примерное значение «выпавшего» звукового отсчета. Чем выше класс проигрывателя, тем лучше в нем реализованы алгоритмы интерполяции звука.

^ Доступ к произвольному фрагменту диска (адресация)
Информационная дорожка компакт-дисков состоит из небольших блоков, называемых кадрами ( frame ). В случае дисков CD - ROM эти блоки еще называют секторами (по аналогии с секторами дискет и винчестеров). Кадр – это минимально адресуемый участок КД. Обычно говорят, что доступ к произвольному участку КД осуществляется с точностью до кадра. Полный адрес участка КД имеет следующий вид:

M:S:F, где M – минуты, S – секунды, F – кадры

CDROM

Основное отличие диска CD-ROM от CD Audio – структура кадра. Если для аудио-диска кадр размером 2352 байта полностью занят звуковыми отсчетами, то на CD-ROM для компьютерных данных из 2352 байт отведено только 2048 байт (User Data). Остальное – служебная информация

Для обеспечения универсальности дисков CD-ROM была разработана файловая система ISO 9660. В 1995 году было введено дополнение к ISO 9660 (Joliet Specification), позволяющее использовать в именах файлов длинные имена, символы национальных алфавитов и пробелы

Mixed Mode CD
Следующий член семейства КД – Mixed Mode CD -прямой потомок – CD DA и CD-ROM .

На таком диске первый трек всегда имеет тип Data и содержит файловую структуру с компьютерными данными. За Data -треком располагаются аудио-треки. Особенность использования такого диска – аудио-треки начинаются со второго трека.

^ CD-ROM XA (eXtended Architecture)
Этот формат является потомком формата CD-ROM. Его появление было вызвано необходимостью обозначать тип цифровой информации, хранящейся в конкретном кадре диска. Связано это было с появлением специализированных проигрывателей мультимедийной информации, способных проигрывать видео со звуком и отображать неподвижные изображения (в частности, проигрыватели Video CD).


Multisession CD
Формат CD-ROM XA используется также при создании дисков Multisession .

Термин «сессия» - дословно, сеанс, появился вместе с форматом CD - Recordable (Записываемый Компакт-Диск). Под сессией понимается сеанс записи компакт-диска, то есть запись на диске Lead - In , программной зоны и Lead - Out

Стандартом на записываемые КД разрешается размещение на КД нескольких сессий (до 99). Lead - In каждой сессии содержит свою собственную TOC, которая содержит список треков, входящих в эту и предыдущие сессии. Также в TOC каждой сессии указан тип этой сессии.

Multisession разрешает запись на диск, который уже имеет сессию (сессии). Запись возможна при условии, что в TOC последней сессии имеется специальная метка, разрешающая запись еще одной сессии. При записи новой сессии в ней формируется новая файловая система, которая указывает местоположение вновь записываемых файлов и, кроме этого, как правило, указывает на местоположение файлов из предыдущих сессий (хотя может этого и не делать). Также в новой сессии могут быть записаны новые версии файлов, уже имеющихся в предыдущих сессиях (при этом в новой файловой системе указывается местоположение новой версии файла, а ссылка на старый файл не формируется – «псевдостирание»).

При записи первой сессии будущего диска Multisession в TOC первой сессии делается специальная метка, говорящая о том, что на диске может быть еще одна сессия ( диск «не финализирован»). Привод CD-ROM , читающий такой диск, обнаружив эту метку, начитает читать ту область КД, где должен находиться Lead - In следующей сессии. Если Lead - In есть, делается попытка прочитать TOC следующей сессии. Если чтение этой области не удается, привод делает вывод, что следующей сессии нет, и работает с TOC первой сессии.

Принципы записи КД:

  • изменения оптических свойств носителя информации под воздействием лазерного излучения;

  • наличие на «чистом» диске специальной направляющей дорожки (groove).

В настоящее время в системе «компакт-диск» существует два вида дисков, позволяющих запись информации. Это CD-Recordable и CD-Rewritable.

Этикетка

Лак

Отражающий слой (серебро, золото)

Светочувствительный слой

Подложка

В системе CD-Rewritable светочувствительный слой может находиться в одном из двух устойчивых состояний - кристаллическом или аморфном, соответственно пропуская луч лазера до отражающего слоя и обратно, или же рассеивая свет

DVD

формат записи дисков. В отличие от CD, обладает большей плотностью размещения данных, возможностью двухслойной записи и более совершенной защитой лицензионных дисков от пиратских копий.

На данный момент название DVD - не более чем "звучный" набор букв. Однако в 1995 году аббревиатуру DVD расшифровывали, как Digital Video Disk (Цифровой Видеодиск). Дело в том, что DVD изначально разрабатывали для смены устаревшего VHS-формата, и предназначался он в основном для комфортного просмотра фильмов. Спустя некоторое время было решено оптимизировать диски DVD не только для мультимедийного использования, но и для компьютеров, в качестве носителя информации. Поэтому приняли решение изменить название формата, не меняя аббревиатуры. Таким образом, DVD из Digital Video Disk превратился в Digital Versatile Disk (Цифровой Универсальный Диск).

Вся информация на DVD хранится в файловой системе MicroUDF (Micro Universal Disk Format). (утвердили в 2000 г).

Более высокой емкости DVD-диски обязаны не только возможностью двухслойной записи дисков, но и большей плотностью записи информации. Более высокая плотность записи была достигнута за счет уменьшения расстояния между информационными дорожками на спирали. Это расстояние у CD-дисков составляет 1,6 мкм. У дисков DVD - 0,74 мкм. Объем DVD-дисков, в зависимости от их конкретного типа, может быть от 4,7 до 17 Гб.

Для защиты применен доп. прозрачный пластиковый слой.

В разных странах премьеры одних и тех же фильмов проходят в разное время. И поскольку издателям фильмов нет интереса в появлении фильма там, где еще не было его премьеры, было принято решение ввести так называемое зонирование.

Последний способ защиты - аналоговая защита от записи. Принцип работы APS (Analogue Protection System) заключается в том, что при воспроизведении фильма специально создаются помехи. И если вы записываете фильм на другой проигрыватель, изображение будет сильно искажено.

DVD-R, DVD-RW, DVD+R(двухслойные), DVD+RW(Принцип аналогичен DVD-RW, однако они были несовместимы из-за разных материалов отражающего слоя и разных способов записи.)

DVD-RAM - диски помещены в специальный картридж, для защиты от физических повреждений

^

Будущее DVD-формата


На смену DVD в недалеком будущем придет Blue-Ray и другие форматы нового поколения. Диски Blue-Ray имеют меньшее расстояние между соседними дорожками - 0,32 микрон. Это позволило увеличить объем одностороннего диска до 30 Гб. Стандарт Blue-Ray disc поддерживают более десяти крупнейших компаний, в том числе Sony, Hitachi, LG, Thomson, Philips, NEC и другие. Для записи таких дисков понадобится привод с лазером более коротковолнового - "синего" диапазона (405 нм. DVD-приводы имеют "красный" лазер с длиной волны 650 нм).

Еще альтернатива будущего - поддержанный DVD Forum стандарт HD-DVD, разработанный Toshiba и NEC. При использовании стандарта HD-DVD емкость диска увеличивается до 15 Гб на слой, при этом для выпуска таких дисков требуется лишь небольшая доработка оборудования.

И там и там используется голубой лазер для чтения и записи информации, но емкость дисков HD-DVD существенно ниже: однослойный диск вмещает 15 Гб данных, двухслойный - 30 Гб. Зато HD-DVD остается совместимым с DVD на физическом уровне, чего нельзя сказать о Blue Ray
^

Многослойные оптические диски


FMD - Fluorescent Multilayer Disk. диск размером со стандартный CD вмещает до терабайта данных, при этом скорость чтения с него может достигать 1Гб/сек. Молодая компания Constellation 3D (C3D).

Диск совершенно прозрачен. Дело в том, что в основе работы флуоресцентных дисков лежит совершенно другой принцип, нежели у CD или DVD. У традиционных оптических накопителей лазерный луч отражается от непрозрачной подложки диска, и за счет этого происходит считывание; в FMD принимается не отраженный от подложки свет, а испускаемый веществом диска под воздействием лазера, т.е. флуоресцентный. Другое отличие - FMD-диски многослойные, число слоев в существующих образцах - несколько десятков, но планируется довести их количество до 1000.

У CD или DVD проблему многослойности до сих пор не удалось решить, поскольку вследствие интерференции и некоторых других факторов практически невозможно различать отраженный свет от разных слоев диска, а вот во флуоресцентных дисках это делается довольно легко.


^

Голографическая память


Голографическая память базируется на тех же принципах оптики, что и более традиционные оптические диски. Основное отличие заключается в том, что для записи информации в этом случае используется не поверхность (плоскость), и даже не набор слоев, как предполагается сделать в FMD-дисках, а весь объем носителя. Из-за этого плотность записи получается чрезвычайно высокой: по предварительным расчетам, в один кубический сантиметр можно будет "запихнуть" более 1 Тб информации! Кроме огромной емкости специалисты отмечают еще и возможность высочайшей скорости при чтении/записи. Если голографические накопители данных будут реализованы, то они окажутся куда быстрее и вместительнее, чем их магнитные собратья. Высокая скорость работы голографической памяти достигается за счет того, что одновременно может считываться и записываться большой блок информации, так называемая "страница".

Почему же память называется голографической? голограмма - это трехмерное изображение какого-нибудь предмета или, по крайней мере, такое изображение, которое воспринимается по-разному в зависимости от того угла, под которым на него смотрят.

Для записи информации тоже используется лазерный луч. Он направляется на специальную управляющую матрицу (световой модулятор), элементы которой кодируют биты информации, например, темный элемент - нолик, светлый - единичка, свет от матрицы падает уже непосредственно на носитель (диск), а точнее ту его часть, где формируется изображение матрицы. Для того чтобы данные с диска можно было прочитать, нужно осветить его участок лазером с той же длиной волны, тогда отраженный свет воспроизведет изображение управляющей матрицы, ее точную копию.

Долговечность дисков: R диски хранятся дольше RW.


^ Часть 5. FLASH


изобретателем считается Intel, представившая в 1988 году флэш-память с архитектурой NOR. Годом позже Toshiba разработала архитектуру NAND, которая и сегодня используется наряду с той же NOR в микросхемах флэш


Технология NOR


флэш-чип представляет из себя транзистор с двумя изолированными затворами: управляющим (control) и плавающим (floating). Важной особенностью последнего является способность удерживать электроны в течение долгого времени.

Определенный диапазон количества электронов (заряда) на плавающем затворе соответствует логической единице, а все, что больше его, — нулю. (NOR 0 0 – 1 , 0 1 – 0, 1 0 – 0, 1 1 - 0)

При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Для стирания информации на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток.



Для хранения 1 бита информации задействуется только один элемент (транзистор). В энергозависимых типах памяти для этого требуется несколько транзисторов и конденсатор. Это позволяет существенно уменьшить размеры выпускаемых микросхем, упростить технологический процесс -> снизить себестоимость.

Intel уже выпускает память StrataFlash, каждая ячейка которой может хранить по 2 бита информации. Кроме того, существуют пробные образцы, с 4-х и даже 9-и битными ячейками! В такой памяти используются технология многоуровневых ячеек. Они имеют обычную структуру, а отличие заключается в том, что заряд их делится на несколько уровней, каждому из которых в соответствие ставится определенная комбинация бит. Теоретически прочитать/записать можно и более 4-х бит, однако, на практике возникают проблемы с устранением шумов и с постепенной утечкой электронов при продолжительном хранении.

Технология NAND - аналогично, только при считывании сигнала значение трактуется по-другому (0 0 – 1, 0 1 – 1, 1 0 – 1, 1 1 - 0)

Сфера применения какого-либо типа флэш-памяти зависит в первую очередь от его скоростных показателей и надежности хранения информации. Адресное пространство NOR-памяти позволяет работать с отдельными байтами или словами (2 байта). В NAND ячейки группируются в небольшие блоки (по аналогии с кластером жесткого диска). Из этого следует, что при последовательном чтении и записи преимущество по скорости будет у NAND. Однако с другой стороны NAND значительно проигрывает в операциях с произвольным доступом и не позволяет напрямую работать с байтами информации. К примеру, для изменения одного байта требуется:

  • считать в буфер блок информации, в котором он находится

  • в буфере изменить нужный байт

  • записать блок с измененным байтом обратно


Если еще ко времени выполнения перечисленных операций прибавить задержки на выборку блока и на доступ, то получим отнюдь неконкурентоспособные с NOR показатели (отмечу, что именно для случая побайтовой записи). Другое дело последовательная запись/чтение — здесь NAND наоборот показывает значительно более высокие скоростные характеристики. Поэтому, а также из-за возможностей увеличения объема памяти без увеличения размеров микросхемы, NAND-флэш нашел применение в качестве хранителя больших объемов информации и для ее переноса. Наиболее распространенные сейчас устройства, основанные на этом типе памяти, это флэшдрайвы и карты памяти. Что касается NOR-флэша, то чипы с такой организацией используются в качестве хранителей программного кода (BIOS, RAM карманных компьютеров, мобилок и т.п.), иногда реализовываются в виде интегрированных решений (ОЗУ, ПЗУ и процессор на одной мини-плате, а то и в одном чипе).


ДЗ : померить скорость флэш памяти.


^

Fibre Channel SCSI


Последовательный интерфейс FCAL (Fibre Channel Arbitrated Loop - арбитражное кольцо волоконного канала) по реализации ближе к интерфейсам локальных сетей. Этот интерфейс, известный также и как Fibre Channel SCSI, может иметь как электрическую (коаксиальный кабель), так и оптоволоконную реализацию. В обоих случаях частота 800 МГц обеспечивает скорость передачи данных 100 Мбайт/с. Медный кабель допускает длину шины до 30 м, оптический - до 10 км. Здесь используется иной протокольный и физический уровни интерфейса и имеется возможность подключения к шине до 126 устройств (а не 8 или 16, как для параллельного интерфейса).




Скачать 441.06 Kb.
оставить комментарий
Дата29.09.2011
Размер441.06 Kb.
ТипЛекция, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх