Основные параметры жесткого диска

Диаметр дисков (disk diameter) – параметр довольно свободный от каких-либо стандартов, ограничиваемый лишь форм-факторами корпусов системных блоков. Наиболее распространены накопители с диаметром дисков 2.2, 2.3, 3.14 и 5.25 дюймов. Диаметр дисков определяет плотность записи на дюйм магнитного покрытия. Накопители большего диаметра содержат большее число дорожек, и в них, как правило, используются более простые технологии изготовления носителей, предназначенных для меньшей плотности записи. Они, как правило, медленнее своих меньших собратьев и имеют меньшее число дисков, но более надежны. Накопители с меньшим диаметром больших объемов имеют более высокотехнологичные поверхности и высокие плотности записи информации, а также, как правило, и большее число дисков.

Число поверхностей (sides number) – определяет количество физических дисков нанизанных на шпиндель. Выпускаются накопители с числом поверхностей от 1 до 8 и более. Однако, наиболее распространены устройства с числом поверхностей от 2 до 5. Принципиально, число поверхностей прямо определяет физический объем накопителя и скорость обработки операций на одном цилиндре. Так как операции на поверхностях цилиндра выполняются всеми головками синхронно, то теоретически, при равных всех остальных условиях, более быстрыми окажутся накопители с большим числом поверхностей.

Число секторов (sectors count) – общее число секторов на всех дорожках всех поверхностей накопителя. Определяет физический неформатированный объем устройства.

Число секторов на дорожке (sectors per track) – общее число секторов на одной дорожке. Часто, для современных накопителей показатель условный, т.к. они имеют неравное число секторов на внешних и внутренних дорожках, скрытое от системы и пользователя интерфейсом устройства.

Размер кэш-буфера контроллера (internal cash size). Встроенный в накопитель буфер выполняет функцию упреждающего кэширования и призван сгладить громадную разницу в быстродействии между дисковой и оперативной памятью компьютера. Выпускаются накопители с 128, 256 и 512 килобайтным буфером. Чем больше объем буфера, тем потенциально выше производительность при произвольном "длинном" чтении/записи. Также, более емкий буфер обеспечивает рост производительности дисковой подсистемы, во-первых, при работе с объемными упорядоченными (записанными на диски последовательно) данными, а во-вторых - при одновременном обращении к диску множества приложений или пользователей, как это происходит в многозадачных сетевых ОС.

Физический и логический объем накопителей. Носители жестких дисков, в отличие от гибких, имеют постоянное число дорожек и секторов, изменить которое невозможно. Эти числа определяются типом модели и производителем устройства. Поэтому, физический объем жестких дисков определен изначально и состоит из объема, занятого служебной информацией (разметка диска на дорожки и сектора) и объема, доступного пользовательским данным. Физический объем жесткого диска, также, зависит от типа интерфейса, метода кодирования данных, используемого физического формата и др. Производители накопителей указывают объемы дисков в миллионах байт, предполагая, исходя из десятичной системы исчисления, что в одном мегабайте 1000000 байт. Однако, ПО оперирует не десятичной, а двоичной системами, полагая, что в одном килобайте не 1000 байт, а 1024. Такие несложные разногласия в системах исчисления приводят к несоответствиям при оценке объема накопителей, данном в описании и - выдаваемом различными программными тестами.

Одним из возможных, но не желательных способов повышения физической емкости, для производителей, является увеличение емкости сектора. В настоящее время, стандартной емкостью сектора для IBM-совместимых компьютеров является 512 байт. Многие адаптеры позволяют, в процессе физического форматирования, программным путем, изменять емкость сектора, например, до 1024 байт. При этом соотношение пользовательских данных и служебной информации для сектора улучшается, но снижается надежность хранения данных, т.к. тот же полином ECC будет использоваться для коррекции большего объема данных. Однако, выигрыш на физическом уровне еще не означает тот же результат на логическом, т.к. логическая структура диска может оказаться не эффективной, например, при использовании для работы с файлами малой длинны (менее 1 К). Логический же объем зависит от того, как операционная система или программа записывает информацию в сектора.

В ЖД последнего поколения используются технологии PRML (Partial Response, Maximum Likelihood - максимальное правдоподобие при неполном отклике) и S.M.A.R.T. (Self Monitoring Analysis and Report Technology - технология самостоятельного слежения анализа и отчетности). Первая разработана по причине того, что при существующих плотностях записи уже невозможно четко и однозначно считывать сигнал с поверхности диска - уровень помех и искажений очень велик. Вместо прямого преобразования сигнала используется его сравнение с набором образцов, и на основании максимальной похожести (правдоподобия) делается заключение о приеме того или иного машинного слова. Накопитель, в котором реализована технология S.M.A.R.T., ведет статистику своих рабочих параметров (количество стартов/остановок и наработанных часов, время разгона шпинделя, обнаруженные/исправленные физические ошибки и т.п.), которая регулярно сохраняется в перепрограммируемом ПЗУ или служебных зонах диска. Эта информация накапливается в течение всего периода эксплуатации и может быть в любой момент затребована программами анализа.

Внешняя память компьютера

К внешней памяти относятся устройства, позволяющие автономно сохранять информацию для последующего её использования независимо от состояния компьютера (включен или выключен). Эти устройства могут использовать различные физические принципы хранения информации – магнитный, оптический и другие. По методу доступа к информации устройства различают на устройства с прямым доступам и последовательным доступам. Характерной особенностью внешней памяти является то, что её устройства оперируют блоками информации, а не байтами или словами, как это позволяет оперативная память.

Прямой доступ подразумевает возможность обращения к блокам по их адресам в произвольном порядке. В памяти с последовательным доступом каждый блок информации тоже может иметь свой адрес, но для обращения к нему устройство сначала должно найти некоторый маркер начала чтения, после чего последовательным холостым чтением блока за блоком дойти до требуемого места и только тогда производить операции обмена данными. То есть необходимость последовательного сканирования блоков неотъемлемое свойство данных устройств.

Одной из главных характеристик устройств является емкость хранения (Capacity). В чем измеряется?

Устройства внешней памяти могут иметь сменные или фиксированные носители информации. Применение сменных носителей позволяет хранить неограниченный объем информации. Существуют устройства с автоматической сменой носителя, но это довольно дорогие устройства. Применяются, как правило, в мощных файл-серверах. Для настольных машин используются накопители CD-ROM, DVD.

Важнейшими общими параметрами устройств является время доступа, скорость передачи данных и удельная стоимость хранения информации. Время доступа (Access Time)определяется как усредненный интервал от выдачи запроса на передачу блока данных до фактического начала передачи. Для устройств с подвижными носителями основной расход тратиться на позиционирование головок (Seek Time) и ожидания подхода к ним требуемого участка носителя (Latency – скрытый период). Дисковые устройства имеют время доступа кот единиц до сотен миллисекунд. Для электронных устройств внешней памяти время доступа определяется быстродействием используемых микросхем памяти и при чтении составляет доли микросекунд (хотя записи может быть больше).

Скорость передачи данных (Transfer Speed)определяется как производительность обмена данными, измеряемая после выполнения поиска данных. Однако в данном способе измерения этого параметра могут быть разногласия. Это связанно с том, что некоторые устройства имею в своем составе буферную память существенных размеров. Скорость обмена буферной памяти с собственно носителем (внутренняя скорость) и с внешнем интерфейсом могут существенно различаться. В отличие от внешнего интерфейса, где скорость ограничивается быстродействием электронной части, внутренняя скорость более жестко ограничивается возможностями электромеханической части (скоростью движения носителя и плотностью записи). О внутренней скорости носителя судят по частоте вращения дисковых носителей и числу секторов на треке.

FDD – 100 mc 0.055 Мб/с

HDD IDE – 7.5-40 mc 0,2-2,5 МБ/с

HDD SCSI (объем в два раза больше) – 7,5-40 0,2-2Мб/с

CD-ROM – 120 3Мб/с

Дисковые накопители

Оперативная память ПК

Основные понятия

Под архитектурой оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) принято понимать совокупность представлений о составе его компонентов, организации обмена информацией с внешней средой, а также о функциональных возможностях, реализуемых посредствам команд.

Все персональные компьютеры используют три вида памяти: оперативную, постоянную и внешнюю (различные накопители). Память нужна как для исходных данных, так и для хранения результатов. Она необходима для взаимодействия с периферией компьютера и даже для поддержания образа, видимого на экране. Вся память компьютера делится на внутреннюю и внешнюю. В компьютерных системах работа с памятью основывается на очень простых концепциях. В принципе, всё, что требуется от компьютерной памяти, - это сохранять один бит информации так, чтобы потом он мог быть извлечён оттуда.

Оперативная память предназначена для хранения переменной информации, так как она допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения микропроцессором соответствующих операций.

Оперативная память играет очень важную роль. Именно в ней хранятся все выполняемые программы и их данные. Работа осуществляется центральным процессором и оперативной памятью, остальные же компоненты любой вычислительной системы напрямую в процессе вычисления не участвуют.

ОЗУ предназначено для хранения переменной информации, оно допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций с данными. Это значит, что процессор может выбрать (режим считывания) из ОЗУ код команды и данные и после обработки поместить в ОЗУ (режим записи) полученный результат. Причём возможно размещение в ОЗУ новых данных на месте прежних, которые в этом случае перестают существовать. таким образом, ОЗУ может работать в режимах записи считывания и хранения информации. Все программы, в том числе и игровые, выполняются именно в оперативной памяти.

Микросхемы памяти изготавливают по полупроводниковой технологии на основе кремния с высокой степенью интеграции на кристалле, что определяет их принадлежность к БИС. Для самой общей характеристики БИС памяти принимают в расчёт, прежде всего, их информационную ёмкость, быстродействие, энергопотребление.

Основной составной частью микросхем ОЗУ является массив элементов памяти, объединенных в матрицу накопителя. Элемент памяти (ЭП) может хранить 1 Бит (0 Бит) информации. Каждый ЭП имеет свой адрес. Для обращения к ЭП необходимо его выбрать с помощью кода адреса. ОЗУ которое допускает обращения по адресу к любому ЭП в произвольном порядке, называется ОЗУ с произвольным доступом. Последовательный доступ предусматривает обращение к отдельным ЭП только в порядке возрастания или убывания их адресов.

Элемент памяти (ЭП) Матрица накопителя     Uпит Общ Выход i m Зп/сч Вход

 

 

 

 

Разрядность кода адреса т, равна числу двоичных единиц в нём, определяет информационную ёмкость микросхемы ОЗУ, т. е. число ЭП в матрице накопителя, которое можно адресовать (2 ^т). Для ввода и вывода информации служит вход и выход микросхемы. Для управления режимом микросхемы памяти необходим сигнал «Запись /считывание», значение 1 определяет режим записи бита информации в ЭП, а 0 - режим считывания. Такую организацию матрицы накопителя, когда одновременно ведется запись и считывание, называют одноразрядной. Существуют и матрицы с многоразрядной организацией, иначе называемой «словарной». У таких микросхем несколько информационных входов и столько же выходов, и поэтому они допускают одновременную запись (считывание) многоразрядного кода, который принято называть словом.

Оперативная память предназначена для сравнительно кратковременного хранения информации и её принято называть RAM (Random Access Memory).

Постоянная память обычно содержит такую информацию, которая не должна меняться в течение длительного времени. Постоянная память имеет собственное название - ROM (Read Only Memory), которое указывает на то, что ею обеспечиваются только режимы считывания и хранения.

Долгое время подсистема ОЗУ не развивалась: увеличивался объём памяти, в РС и больших ЭВМ пришёл кэш, несколько возросло быстродействие микросхем.

Кэш-память.

Кэш-память предназначена для согласования скорости работы сравнительно медленных устройств, таких например, как динамическая память с быстрым микропроцессором. Обычно программа использует память какой либо ограниченной области. Храня нужную информацию в кэш-памяти программа позволяет избежать циклов ожидания в его работе, которые снижают производительность всей системы.

Не всякая кэш-память равнозначна. Большое значение имеет тот факт, как много информации может содержать кэш-память. Чем больше кэш-память, тем больше информации может быть в ней размещено, а следовательно, тем больше вероятность, что нужный байт будет содержаться в этой быстрой памяти. Очевидно, что самый лучший вариант - это когда объём кэш-памяти соответствует объёму всей оперативной памяти. В этом случае вся остальная память становится не нужной. Крайне противоположная ситуация - 1 байт кэш-памяти - тоже не имеет практического значения, так как вероятность того, что нужная информация окажется в этом байте, стремится к нулю. Практически, диапазон используемой кэш-памяти колеблется в пределах 16-512Кб.

С помощью кэш-памяти обычно делается попытка согласовать также работу внешних устройств, например, различных накопителей, и микропроцессора. Реализация кэш-систем не так проста, как это может показаться с первого взгляда. Микропроцессор должен не только читать из памяти, но и писать в неё. Что случится, если процессор занесёт новую информацию в кэш-память, а перед использованием этой информации она будет изменена в основной памяти? Для избежания подобной ситуации иногда реализуется метод, названный записью через кэш-память. Очевидно, что этот метод снижает быстродействие системы, потому что приходится писать не только в кэш-память. Хуже того, микропроцессору может понадобиться информация, которую он только что записал и которая ещё не была перезагружена в кэш-память.

Целостность памяти - это одна из самых больших проблем разработчиков кэш-памяти. Все вопросы по преодолению этих проблем были возложены на отдельную микросхему -кэш-контроллер Intel 82385. Соответствующий контролер кэш-памяти должен заботиться о том, чтобы команды и данные, которые будут необходимы микропроцессору в определенный момент времени, именно к этому моменту оказывались в кэш-памяти.

Для этого существует принципиально иной тип оперативной памяти - SRAM, что расшифровывается как Static (Статическая) RAM.

 

Начнем с рассмотрения микросхем DDR SDRAM. По большей части они оказываются похожими на микросхемы SDR SDRAM — так, оба типа микросхем, как правило, имеют одинаковую логическую организацию (при одинаковой емкости), включая 4-банковую организацию массива памяти, и одинаковый командно-адресный интерфейс. Фундаментальные различия между SDR и DDR лежат в организации логического слоя интерфейса данных. По интерфейсу данных памяти типа SDR SDRAM данные передаются только по положительному перепаду («фронту») синхросигнала. При этом внутренняя частота функционирования микросхем SDRAM совпадает с частотой внешней шины данных, а ширина внутренней шины данных SDR SDRAM совпадает с шириной внешней шины данных. В то же время, по интерфейсу данных памяти типа DDR (а также DDR2) данные передаются дважды за один такт шины данных — как по положительному перепаду синхросигнала («фронту»), так и по отрицательному («срезу»).

Возникает вопрос — как можно организовать удвоенную скорость передачи данных по отношению к частоте шины памяти? Напрашиваются два решения — можно либо увеличить в 2 раза внутреннюю частоту функционирования микросхем памяти (по сравнению с частотой внешней шины), либо увеличить в 2 раза внутреннюю ширину шины данных (по сравнению с шириной внешней шины). Достаточно наивно было бы полагать, что в реализации стандарта DDR было применено первое решение, но и ошибиться в эту сторону довольно легко, учитывая «чисто маркетинговый» подход к маркировке модулей памяти типа DDR, якобы функционирующих на удвоенной частоте (так, модули памяти DDR с реальной частотой шины 200 МГц именуются «DDR-400»). Тем не менее, гораздо более простым и эффективным — исходя как из технологических, так и экономических соображений — является второе решение, которое и применяется в устройствах типа DDR SDRAM. Такая архитектура, применяемая в DDR SDRAM, называется архитектурой «2n-предвыборки» (2n-prefetch). В этой архитектуре доступ к данным осуществляется «попарно» — каждая одиночная команда чтения данных приводит к отправке по внешней шине данных двух элементов (разрядность которых, как и в SDR SDRAM, равна разрядности внешней шины данных). Аналогично, каждая команда записи данных ожидает поступления двух элементов по внешней шине данных. Именно это обстоятельство объясняет, почему величина «длины пакета» (Burst Length, BL) при передаче данных в устройствах DDR SDRAM не может быть меньше 2.

Устройства типа DDR2 SDRAM являются логическим продолжением развития архитектуры «2n-prefetch», применяемой в устройствах DDR SDRAM. Вполне естественно ожидать, что архитектура устройств DDR2 SDRAM именуется «4n-prefetch» и подразумевает, что ширина внутренней шины данных оказывается уже не в два, а в четыре раза больше по сравнению с шириной внешней шины данных. Однако речь здесь идет не о дальнейшем увеличении количества единиц данных, передаваемых за такт внешней шины данных — иначе такие устройства уже не именовались бы устройствами «Double Data Rate 2-го поколения». Вместо этого, дальнейшее «уширение» внутренней шины данных позволяет снизить внутреннюю частоту функционирования микросхем DDR2 SDRAM в два раза по сравнению с частотой функционирования микросхем DDR SDRAM, обладающих равной теоретической пропускной способностью. С одной стороны, снижение внутренней частоты функционирования микросхем, наряду со снижением номинального питающего напряжения с 2.5 до 1.8 V (вследствие применения нового 90-нм технологического процесса), позволяет ощутимо снизить мощность, потребляемую устройствами памяти. С другой стороны, архитектура 4n-prefetch микросхем DDR2 позволяет достичь вдвое большую частоту внешней шины данных по сравнению с частотой внешней шины данных микросхем DDR — при равной внутренней частоте функционирования самих микросхем. Именно это и наблюдается в настоящее время — модули памяти стандартной скоростной категории DDR2-800 (частота шины данных 400 МГц) на сегодняшний день достаточно распространены на рынке памяти, тогда как последний официальный стандарт DDR ограничен скоростной категорией DDR-400 (частота шины данных 200 МГц).

За более подробной информацией о реализации DDR2 и основных отличиях ее от DDR мы рекомендуем обратиться к нашей статье «DDR2 - грядущая замена DDR. Теоретические основы и первые результаты низкоуровневого тестирования». А сейчас, по аналогии с DDR, нам осталось лишь рассмотреть, в каком количестве осуществляется считывание/запись данных в микросхемах DDR2, и какое минимальное значение может принимать величина длины пакета данных. Итак, поскольку DDR2 — это «все та же DDR», мы по-прежнему имеем удвоенную скорость передачи данных за один такт внешней шины данных — иными словами, на каждом такте внешней шины данных мы ожидаем получить не менее двух элементов данных (как всегда, разрядностью, равной разрядности внешней шины данных) при чтении, и обязаны предоставить микросхеме не менее двух элементов данных при записи. В то же время, вспоминаем, что внутренняя частота функционирования микросхем DDR2 составляет половину от частоты ее внешнего интерфейса. Таким образом, на один «внутренний» такт микросхемы памяти приходится два «внешних» такта, на каждый из которых, в свою очередь, приходится считывание/запись двух элементов. Следовательно, на каждый «внутренний» такт микросхемы памяти приходится считывание/запись сразу четырех элементов данных (отсюда и название — 4n-prefetch), т.е. все операции внутри микросхемы памяти осуществляются на уровне «4-элементных» блоков данных. Отсюда получаем, что минимальная величина длины пакета (BL) должна равняться 4. Можно доказать, что, в общем случае, архитектуре «2ⁿn-prefetch» всегда соответствует минимальная величина Burst Length, равная 2ⁿ (n = 1 соответствует DDR; n = 2 — DDR2; n = 3 — грядущей DDR3).

Принцип, лежащий в основе перехода от DDR2 к DDR3, в точности повторяет идею, заложенную при переходе от DDR к DDR2. А именно, DDR3 — это «все та же DDR SDRAM», т.е. передача данных по-прежнему осуществляется по обоим полупериодам синхросигнала на удвоенной «эффективной» частоте относительно собственной частоты шины памяти. Только рейтинги производительности выросли в 2 раза, по сравнению с DDR2 — типичными скоростными категориями памяти нового стандарта DDR3 являются разновидности от DDR3-800 до DDR3. Очередное увеличение теоретической пропускной способности компонентов памяти в 2 раза вновь связано со снижением их внутренней частоты функционирования во столько же раз. Поэтому отныне, для достижения темпа передачи данных со скоростью 1 бит/такт по каждой линии внешней шины данных с «эффективной» частотой в 1600 МГц используемые 200-МГц микросхемы должны передавать по 8 бит данных за каждый «свой» такт. Т.е. ширина внутренней шины данных микросхем памяти окажется уже в 8 раз больше по сравнению с шириной их внешней шины. Очевидно, такая схема передачи данных с рассмотренным преобразованием типа «8-1» будет называться схемой «8 n -предвыборки» (8 n -prefetch). Преимущества при переходе от DDR2 к DDR3 такие же, что и при состоявшемся ранее переходе от DDR к DDR2: с одной стороны, это снижение энергопотребления компонентов в условиях равенства их пиковой пропускной способности (DDR3-800 против DDR2-800), с другой стороны — возможность дальнейшего наращивания тактовой частоты и теоретической пропускной способности при сохранении прежнего уровня «внутренней» частоты компонентов (DDR3-1600 против DDR2-800). Теми же остались и недостатки — дальнейший разрыв между «внутренней» и «внешней» частотой шин компонентов памяти привёл к еще большим задержкам. Относительное увеличение последних, при переходе от DDR2 к равночастотной DDR3, примерно такое же, как и при переходе от DDR к равночастотной DDR2.