Базові відомості про дискові пристрої

У цьому розділі зупинимося на особливостях дискових пристроїв, що впливають на реалізацію доступу до таких пристроїв у ОС. Нас цікавитимуть жорсткі диски, інформація про особливості реалізації та використання інших типів дис­кових накопичувачів (компакт-дисків, гнучких дисків тощо) можна знайти, наприклад, у [44].

 

12.1.1. Принцип дії жорсткого диска

Накопичувачі на жорстких магнітних дисках (НЖМД) (рис. 12.1, далі - диски) складаються з набору дискових пластин (platters), які покриті магнітним матеріа­лом і обертаються двигуном із високою швидкістю. Кожній пластині відповіда­ють дві головки (heads), одна зчитує інформацію зверху, інша — знизу. Головки прикріплені до спеціального дискового маніпулятора (disk arm). Маніпулятор може переміщатися по радіусу диска — від центра до зовнішнього краю і назад, таким чином відбувається позиціювання головок.

Головки зчитують інформацію із доріжок (tracks), які мають вигляд концен­тричних кіл. Мінімальна кількість доріжок на поверхні пластини в сучасних дис­ках — 700, максимальна — більше 20 000. Сукупність усіх доріжок одного радіуса на всіх поверхнях пластин називають циліндром.

Кожну доріжку під час низькорівневого форматування розбивають на секто­ри (sectors), обсяг даних сектора для більшості архітектур становить 512 байт (він обов'язково має дорівнювати степеню числа 2). Кількість секторів для всіх дорі­жок однакова (у діапазоні від 16 до 1600).

 

12.1.2. Ефективність операцій доступу до диска

Основними характеристиками доступу до диска є:

♦ час пошуку (seek time) — час переміщення маніпулятора для позиціювання го­ловки на потрібній доріжці (у середньому становить від 10 до 20 мс);

♦ ротаційна затримка (rotational delay) — час очікування, поки пластина по­вернеться так, що потрібний сектор опиниться під доріжкою (у середньому становить 8 мс);

♦ пропускна здатність передавання даних (transfer bandwidth) - обсяг даних, що передаються від пристрою в пам'ять за одиницю часу; для сучасних дисків ця характеристика порівнянна із пропускною здатністю оперативної пам'яті (200 Мбайт/с), час передавання одного сектора вимірюють у наносекундах.

Час, необхідний для читання сектора, одержують додаванням часу пошуку, ротаційної затримки і часу передавання (при цьому час передавання можна вва­жати дуже малим). Очевидно, що час читання одного сектора практично не від­різняється від часу читання кількох розташованих поряд секторів, а час читання цілої доріжки за одну операцію буде менший, ніж час читання одного сектора че­рез відсутність ротаційної затримки.

Швидкість доступу до диска, порівняно із доступом до пам'яті, надзвичайно мала, зараз диски є основним «вузьким місцем» з погляду продуктивності ком­п'ютерної системи. При цьому реальне поліпшення останніми роками наявне лише для пропускної здатності передавання даних. Час пошуку і ротаційна затримка майже не змінюються, тому що вони пов'язані з керуванням механічними при­строями (дисковим маніпулятором і двигуном, що обертає пластини) і обмежені їхніми фізичними характеристиками.

У результаті час читання великих обсягів неперервних даних усе менше від­різняється від часу читання малих. Як наслідок, першорядне значення для роз­робників файлових систем набуває розв'язання двох задач:

♦ організації даних таким чином, щоб ті з них, які будуть потрібні одночасно, перебували на диску поруч (і їх можна було зчитати за одну операцію);

♦ підвищення якості кешування даних (оскільки пам'яті стає все більше, зро­стає ймовірність того, що всі потрібні дані міститимуться в кеші, і доступ до диска стане взагалі не потрібний).

 

12.2. Розміщення інформації у файлових системах

Файлова система звичайно будує базове відображення даних поверх того, яке їй надають драйвери дискових пристроїв. Насамперед, ОС розподіляє дисковий простір не секторами, а спеціальними одиницями розміщення — кластерами (clusters) або дисковими блоками (disk blocks, термін «дисковий блок» більш роз­повсюджений в UNIX-системах). Визначення розміру кластера і розміщення ін­формації, необхідної для функціонування файлової системи, відбувається під час високорівневого форматування розділу. Саме таке форматування створює фай­лову систему в розділі.

Розмір кластера визначає особливості розподілу дискового простору в систе­мі. Використання кластерів великого розміру може спричинити значну внутріш­ню фрагментацію через файли, які за розміром менші, ніж кластер.

Деякі застосування (насамперед, сервери баз даних) можуть реалізовувати свою власну фізичну організацію даних на диску. Для них файлова система може ви­явитися зайвим рівнем доступу, що тільки сповільнюватиме роботу. Багато ОС на­дають таким застосуванням можливість працювати із розділами, поданими у вигля­ді простого набору дискових секторів, який не містить структур даних файлової системи. Про такі розділи кажуть, що вони містять неорганізовану файлову систему (raw file system). Для них не виконують операцію високорівневого форматування.