Поиск по базе сайта:
Устройства хранения данных icon

Устройства хранения данных




Скачати 249.32 Kb.
НазваУстройства хранения данных
Дата конвертації15.11.2012
Розмір249.32 Kb.
ТипДокументи
1. /AKC/БЛАНК_контролю_нау.doc
2. /AKC/КОНТРОЛЬНА_АКС.doc
3. /AKC/ЛЕКЦIф_м1/01_ЛЕКЦIЯ__1.doc
4. /AKC/ЛЕКЦIф_м1/02_ЛЕКЦIЯ__2.doc
5. /AKC/ЛЕКЦIф_м1/03_ЛЕКЦIЯ__3.doc
6. /AKC/ЛЕКЦIф_м1/04_ЛЕКЦIЯ__4.doc
7. /AKC/ЛЕКЦIф_м1/05_ЛЕКЦIЯ__5.doc
8. /AKC/ЛЕКЦIф_м1/06_ЛЕКЦIЯ__6.doc
9. /AKC/ЛЕКЦIф_м1/07_ЛЕКЦIЯ__7.doc
10. /AKC/ЛЕКЦIф_м1/ЛЕКЦIЯ__8_процесори/01_x86.doc
11. /AKC/ЛЕКЦIф_м1/ЛЕКЦIЯ__8_процесори/02_Поколiння_процесорiв_з_1_по_7.doc
12. /AKC/ЛЕКЦIф_м1/ЛЕКЦIЯ__8_процесори/03_Процесори_молодших_поколiнь.doc
13. /AKC/ЛЕКЦIф_м1/ЛЕКЦIЯ__8_процесори/04_Мiкропроцесори_шостого_поколiння.doc
14. /AKC/ЛЕКЦIф_м1/ЛЕКЦIЯ__8_процесори/05_Архiтектура_IA64.doc
15. /AKC/ЛЕКЦIф_м1/ЛЕКЦIЯ__8_процесори/06_Огляд_сучасних_процесорiв.doc
16. /AKC/ЛЕКЦIф_м1/ЛЕКЦIЯ__8_процесори/_00_ЛЕКЦIЯ__8.doc
17. /AKC/ЛЕКЦIф_м1/ЛЕКЦIЯ__8_процесори/_ПРОЦЕСОРИ_мат.doc
18. /AKC/ЛЕКЦIф_м1/ЛЕКЦIЯ__8_процесори/_Типи процесорiв.doc
19. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_10/10_01_ОРГАНIЗАЦ_ПАМ+.doc
20. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_10/10_02_ДИНАМIЧНА_ПАМ+.doc
21. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_10/10_03_ТАЙМIНГИ+.doc
22. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_10/10_а_ЛЕКЦIЯ_ОП.doc
23. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_10/10_б_ЛЕКЦIЯ_Таймiнги.doc
24. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_10/10_в_ЛЕКЦIЯ_Огляд_ОП.doc
25. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_11/11_00_Фiзична структура HDD.doc
26. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_11/11_01_НАКОПИЧУВАЧI_+.doc
27. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_11/11_02_ЛЕКЦIЯ_RAID_.doc
28. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_11/11_02_ПРИСТР_ЗБЕРЕЖ_ДАНИХ_1+.doc
29. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_11/11_03_IDE.doc
30. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_11/11_04_SCSI_.doc
31. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_12/12_01_ШИНИ_розширення.doc
32. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_12/12_01а_PCI.doc
33. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_12/12_01б_PCI_express.doc
34. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_13/13_00_Iнтерфейси.doc
35. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_13/13_01_СОМ.doc
36. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_13/13_02_LPT.doc
37. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_13/13_03+06_Iнтерфейси.doc
38. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_13/13_04_USB+FireWire.doc
39. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_13/13_05_Fibre Channel.doc
40. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_13/13_07_Bluetooth.doc
41. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_13/13_08_IrDa.doc
42. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_14/14_00_Вiдесистема.doc
43. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_14/14_00_вiдеоадаптер.doc
44. /AKC/ЛЕКЦIф_м2/ЛЕКЦIЯ_14/14_01_Аудио_ГУК_Р12.doc
45. /AKC/ПИТАННЯ+модуль2+акс.doc
46. /AKC/ПИТАННЯ_МОДУЛЬ_ь1+.doc
47. /AKC/тесты с ответами.doc
Національний авіаційний унуверситет
Завдання на контрольну роботу завданям курсової роботи з дисципліни «Архітектура комп’ютерних систем»
Тема 1 Класичні основи побудови еом. Покоління комп’ютерів
Тема 2 Основні архітектури кс
Тема: Системні ресурси Системними ресурсами
Тема: Системні ресурси. (продовження) Система переривань
Тема: Системні ресурси (продовження) Прямий доступ до пам'яті dma
1. Поняття системної плати
Тема організація введення-виведення І bios
X86 Intel 80x86
Архітектура і мікроархітектура процесорів. Покоління процесорів
Мікропроцесори фірми Intel молодших поколінь
Мікропроцесори шостого покоління
Архітектура ia-64
Arhitektura komp system
Рис 1 Верхній рівень структурної організації комп‘ютера
Зміст Введення
Тип процессора Микро-архитектура
Підсистеми пам'яті
Динамічне озп. Конструктивні особливості
Таймінги пам'яті поняття «таймінгів»
Тема 12. Класифікація запам’ятовуючих пристроїв. Типи оперативної пам’яті план лекції Поняття «пам’ять еом»
Тема 13. Таймінги
Arhitektura komp system
Тема 14. Фізична структура жорсткого диску
Жорсткі диски. Введення 2 Фізичний пристрій жорсткого диска 2
Raid-масиви початкового рівня Що таке raid?
Устройства хранения данных
Интерфейс ide ata/atapi и sата
Arhitektura komp system
8. pci/pci-x
Шини pci/pci-x
Шина pci express Шина pci express
Usb fireWire ps/2 ata (ide)/ атарі
Інтерфейс rs-232C — com-порт
Паралельний інтерфейс — lpt-порт
Універсальна послідовна шина
Usb (Universal Serial Bus універсальна послідовна шина) є промисловим стандартом розширення архітектури рс, орієнтованим на інтеграцію з телефонією І пристроями побутової електроніки. Версія 1
Fibre Channel Fibre Channel
Arhitektura komp system
Arhitektura komp system
Arhitektura komp system
Тема 11. Відеоадаптер
Img src= 44 html 2f3a33e
Питання до модуля №2
2) Основні компоненти машини фон Неймана 3) Які покоління комп’ютерів характеризуються децентралізацією управління процедурами вводу-виводу (системи переривання програм)
Які принципи програмно-керованих еом не використовувалися Нейманом

02

УСТРОЙСТВА ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ

Устройства хранения данных относятся к внешней памяти компьютера — они позволяют сохранять информацию для последующего ее использования независимо от состояния (включен или выключен) компьютера. В этих устройствах могут быть реализованы различные физические принципы хранения информации — магнитный, оптический, электронный — в любых их сочетаниях. Внешняя память принципиально отличается от внутренней (оперативной, постоянной и специальной) способом доступа к этой памяти процессора (исполняемой программы). Устройства внешней памяти оперируют блоками информации, но никак не байтами или словами, как, например, оперативная память. Процедуры обмена с устройствами внешней памяти привязаны к типу устройства, его контроллеру и способу подключения устройства к системе (интерфейсу).


Принцип действия и назначение устройств хранения

Устройства хранения относящиеся к внешней памяти компьютерен обеспечивают энергонезависимое хранение блоков информации на каком-либо физическом носителе- Физические принципы энергонезависимого хранения и соответствующие им носители разнообразны. Наибольшее распространение получили следующие:

  • Магнитный принцип основан на перемагничивании участков носителя в соответствии со значениями битов записываемой информации. Этот принцип реализуется в устройствах с подвижным носителем в виде диска или ленты, где запись и считывание производится на дорожку (трек). Головка записи вызывает изменение намагниченности участков трека в соответствии с записываемой битовой последовательностью. При считывании регистрируется изменение магнитного поля, связанное с прохождением под головкой участков трека, и из этих изменений извлекается ранее записанная информация.

  • Оптический принцип основан на изменении оптических свойств участка носителя: степени прозрачности или коэффициента отражения.

  • Электрический принцип основан на пороговых эффектах в полупроводниковых структурах. Этот принцип используется в твердотельной памяти — флэш-памяти и EEPROM. Здесь для изменения состояния хранящей ячейки требуется значительная энергия (довольно длительное воздействие сильного электрического поля), что и происходит в процессе записи, называемом программированием. Считывание требует значительно меньших затрат как энергии, так и времени. Под твердотельностью в этих устройствах подразумевается отсутствие относительного движения носителя и головок записи считывания.

Устройство хранения тем или иным способом подключается к хосту — компьютеру. Для хоста устройство хранения должно обеспечивать возможность записи блоков данных из внутренней памяти (как правило, ОЗУ) в устройство и считывание этих блоков из устройства в ОЗУ. Взаимодействие с устройством хранения выполняется по инициативе хоста (программы, выполняемой его процессором). В отличие от взаимодействия с внутренней памятью, с которой можно оперировать на уровне записи-чтения отдельных байтов, операции обмена с устройствами хранения всегда блочные. Блок может быть как фиксированного, так и произвольного размера. В настоящее время большее распространение получили устройства с фиксированным размером блока. Самый популярный размер блока — 512 байт, хотя в ряде устройств используются и иные размеры блока. Блок может быть переписан из внутренней памяти во внешнюю или обратно только целиком, и для выполнения любой операции обмена с внешней памятью требуется специальная процедура (подпрограмма).

Блоки в устройстве могут адресоваться различными способами. Наиболее простой и удобной является линейная адресация логических блоков, при которой каждый блок хранимых данных адресуется одномерным адресом (числом) LBA. Logical Block Address — адрес логического блока. Исторически сложилось использование и иных способов адресации для дисковых устройств это трехмерная адресация CHS (Cylinder-Head-Sector — цилиндр-головка-сектор).


Основные характеристики и конструктивы устройств хранения

По методу доступа к информации устройства внешней памяти разделяются на устройства с прямым (или непосредственным) доступом и устройства с последовательным доступом. В устройстве храпения с прямым доступом (Direct Access Storage Device - DASD) есть возможность обращения к блокам по их адресам в произвольном порядке и допускается произвольное чередование операции записи и чтения блоков. Традиционными устройствами с прямым доступом являются дисковые накопители.

В устройствах последовательного доступа произвольное чередование операций записи и чтения, относящихся к произвольным адресам блоков, либо невозможно, либо затруднительно (требует дополнительных внутренних операций, занимающих длительное время). Традиционными устройствами с последовательным доступом являются накопители па магнитной ленте, они же стримеры. Здесь для доступа к блокам информации с произвольными адресами приходится вхолостую считывать (или ускоренно перематывать) все блоки, находящиеся между ними. Устройствами с последовательным доступом являются и оптические диски (CD, DVD). В этих устройствах информация записывается последовательно на один длинный спиральный трек. Конечно, устройство позиционирования головки позволяет ее довольно быстро (по сравнению с ленточными устройствами) перемешать на любой участок трека, обеспечивая произвольную адресацию. Однако по признаку невозможности произвольного чередования операций чтения-записи блоков {минимальная записываемая единица больше блока хранения) эти устройства являются последовательными.

Главная характеристика устройства хранения — емкость (capacity), измеряемая в килобайтах, мегабайтах, гигабайтах и терабайтах (Кбайт, Мбайт, Гбайт, Тбайт, или в английской транскрипции KB, MB, GB, ТВ, или, еще короче — К, М, G, Т). Емкость устройства в первую очередь определяется его носителем, однако она может ограничиваться и пределом возможности адресации блоков, свойственным тому или иному интерфейсу подключения-Устройства внешней памяти могут иметь сменные или фиксированные носители информации. Применение сменных носителей (removable media) позволяет хранить неограниченный объем информации, а если носитель и формат записи стандартизованы, то они позволяют еще и обмениваться информацией между компьютерами.

Важнейшими общими параметрами устройств являются время доступа, скорость передачи данных и удельная стоимость хранения информации.

Время доступа (access time) определяется как усредненный интервал от получения устройством запроса на запись или чтение блока данных до фактического начала передачи данных. Дисковые устройства имеют время доступа от единиц до сотен миллисекунд. Для устройств с подвижными носителями основной расход времени имеет место в процессе позиционирования головок (seek time — время поиска) и ожидания подхода к ним требуемого участка носителей (latency — скрытый период). От того, что может делать система (хост и другие устройства) во время этой неизбежной задержки, предшествующей передаче запрашиваемых данных, зависит эффективность (общая производительность) компьютерной системы..

Скорость записи и считывания определяется, как отношение объема записываемых или считываемых данных ко времени, затрачиваемого на эту операцию. В затраты времени входит и время доступа, и время передачи данных. При этом оговаривается характер запросов — линейный или случайный, что сильно сказывается на величине скорости из-за влияния времени доступа. При определении скорости линейных запросов чтения-записи (linear transfer rate read/write) производится обращение к длинной цепочке блоков с последовательным нарастанием адреса. При определении скорости случайных запросов чтения-записи (random transfer rate read/write) соседние запросы направляются во все точки носителя.

Скорость передачи данных (Transfer Speed, Transfer Rate, или сокращенно XFER) определяется как производительность обмена данными, измеряемая после завершения поиска данных. Однако в способе измерения этого параметра возможны разночтения, поскольку современные устройства имеют в своем составе буферную память существенных размеров. Скорости обмена буферной памяти с собственно носителем (внутренняя скорость) и с внешним интерфейсом могут существенно различаться. Если скорость работы внешнею интерфейса ограничивается быстродействием электронных схем и достижимой частотой передаваемых сигналов, то внутренняя скорость более жестко ограничивается возможностями электромеханических устройств (скоростью движения носителя и плотностью записи).

В табл, 1 приведены основные параметры распространенных устройств внешней памяти (поскольку эти компоненты развиваются весьма динамично, данные таблицы, фиксирующие состояние на весну 2005 года, не стоит рассматривать с коммерческой точки зрения).

Таблица 1. Характеристики устройств внешней памяти



Все устройства внешней памяти, применяемые в современных компьютерах, имеют унифицированные конструктивные исполнения (конечно, за исключением крупногабаритных устройств с автоматической сменой носителя).


Интерфейсы устройств хранения

Как минимум, устройство хранения состоит из собственно носителя (фиксированного или сменного) и средств доступа к носителю. Под средствами доступа подразумеваются необходимые узлы записи и считывания, а также – для подвижных носителей — привод и механизмы позиционирования. Для твердотельных устройств аналогом средств позиционирования являются средства адресации (выбора микросхемы, банка памяти, адреса). Контроллер устройства хранения занимается управлением носителем, избыточным кодированием и декодированием, исправлением ошибок или/и организацией повторных обращений к носителю и другими вспомогательными операциями. Для хоста контроллер совместно со своим программным драйверам должен обеспечивать базовые операции:

сохранение (запись) информации из указанной области внутренней памяти хоста (размером в целое количество блоков) в указанное место на носителе устройств;

считывание указанных блоков с носителя устройства в указанную область внутренней памяти хоста;

вспомогательные операции, включая определение состояния и параметров носителя, форматирование носителя (если требуется), тестирование и т. п.

Обобщенная схема подключения устройства к хосту приведена на рис. 9.2. Если контроллер располагается отдельно от устройства, то интерфейс устройства хранения бывает сугубо специфическим. Если контроллер встроен в устройство хранения, то вся специфика взаимодействия с носителем скрывается внутри устройства — во внутреннем интерфейсе между средствами доступа к носителю и контроллером. При этом появляется свобода в выборе интерфейса подключения устройства (фактически — его контроллера) к хосту.



Рис. 9.2. Устройство хранения, подключенное к посту, и его интерфейсы

Существенным параметром интерфейса подключения устройства хранения является скорость передачи данных. Если интерфейс подключения устройства хранения обеспечивает связь средств доступа к носителю с контроллером, то этот интерфейс должен также обеспечивать передачу данных со скоростью доступа (записи и чтения) к носителю. В современных устройствах контроллер, расположенный вместе с носителем, обладает собственной буферной памятью. В самых высокоскоростных современных винчестерах внутренняя скорость обмена (между носителем и контроллером) приближается к гигабиту в секунду.

Первые устройства хранения в ПК — накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) — подключались интерфейсным кабелем-шлейфом к контроллеру, отделенному от самих устройств. Этот специализированный интерфейс (FDD) сохранился до сих пор, им подключают дисководы, требующие скорости передачи всего 500 Кбит/с (около 60 Кбайт/с), К интерфейсу дисководов подключали и старые стримеры (очень тихоходные).

Аналогичный интерфейс (опять-таки специфический ST-506) поначалу использовался и для подключения винчестеров (так называемых MFM и RLL), по нему передавались «сырые» данные записи чтения с головок диска (правда, усиленные) и сигналы управления приводом. Позже появился (ненадолго) интерфейс дисков ESDI, обеспечивающий скорость передачи данных до 1 Мбайт/с.

Параллельная шина ATA (IDE) - самый массовый интерфейс, применяемый для устройств хранения, - также является специфическим из-за подключений к шине ISA. Со временем место подключения изменилось (теперь это шина PCI и ее последователи), но ради совместимости и преемственности интерфейс АТА сохранялся (постепенно модернизируясь). Для устройств, логически отличающихся от жестких дисков — оптических, магнитооптических, ленточных b любых других, — в 1996 году была принята спецификация ATAPI. Это пакетное расширение интерфейса, которое позволяет передавать по шине АТА устройству блоки командной информации, структура которых позаимствована из SCSI. Достигнутый потолок скорости ATA/ATAPI - 133 Мбайт/с (Ultra DMA Mode 6). Первоначально интерфейс АТА обладал ограничением адресуемого объема данных в 137 Гбайт, в последних версиях (ATA/ATAPI-6) это ограничение преодолено, нынешний «потолок» — 144 Пбайт (петабайт) (248 блоков).

Последовательный интерфейс Serial ATA (SATА) — преемник своего параллельного предшественника. Здесь повышается скорость обмена с устройством, решается проблема одновременной работы с несколькими устройствами, сразу используется расширенная адресация. Кабели и разъемы последовательного интерфейса SATA компактны, «горячее» подключение реализуется естественным образом: в SATA каждое устройство подключается к собственному порту хост-контролера, а не к общей шине. Поначалу интерфейс SATA предназначался только для подключения внутренних устройств, позже он стал и внешним интерфейсом, В SATA-II появились новые элементы: мультиплексоры, позволяющие подключать к одному порту хоста несколько устройств, и селекторы портов, позволяющие подключать одно устройство (или мультиплексор) к двум хостам (но работать устройство может только с одним хостом).

Интерфейс SCSIглавный конкурент АТА для устройств хранения — является универсальным. Он предназначен для подключения устройств различных классов: дисковых, ленточных, оптических и других устройств хранения, принтеров, сканеров, коммуникационных и прочих устройств. В интерфейсе SCSI определена идеология взаимодействия хоста с устройствами, эффективная при работе с множеством устройств в многозадачных системах. Интерфейс SCSI поначалу существовал только в виде параллельной шины. Согласно современным стандартам протоколы интерфейса SCSI позволяют работать не только с параллельной шиной или последовательным интерфейсом SAS (вариант SCSI), но и с другими средствами доставки: последовательной шиной IЕЕЕ 1394 (FireWire), Fibre Channel, SSA, а также любыми IP-сетями — iSCSI. Все варианты SCSI пригодны как для внутреннего, так и для внешнего подключения; они имеют поддержку горячего подключения-отключения, необходимую в больших и ответственных системах хранения данных. Предел адресации данных для устройств SCSI первоначально составлял 2 Тбайт (32-разрядная адресация блоков), позже ввели возможность 64- разрядной адресации блоков (объем хранения - до 9 444 732 965 739 290 427 392 байт).

Интерфейс SAS создан на основе дешевого интерфейса SATA и даже обеспечивает совместимость устройств SATA с контроллерами SAS (но не наоборот). Сферы применений этих интерфейсов различны. Устройства SAS предназначены для систем хранения данных предприятий (Enterprise-class), они имеют одно- или двухпортовые интерфейсы. Устройства SATA (только однопортовые) предназначены для настольных систем, они дешевле устройств SAS.

Для внешних устройств хранения с успехом применяют подключение и к шине USB и к LPT-порту. Интерфейс LPT-порта обеспечивает невысокую скорость передачи (до 2 Мбайт/с), но он присутствует практически на всех компьютерах (даже очень старых). Более эффективна для подключения внешних устройств шина FireWire, выступающая в роли среды доставки SCSI.

Сравнительные характеристики интерфейсов устройств хранения данных приведены в табл. 9.2.

Таблица 9.2. Характеристики интерфейсов устройств хранения





Достоинства и недостатки основных интерфейсов подключения устройств хранения сведены в табл. 9.3..


Таблица 9.3. Сравнение интерфейсов устройств хранения



Устройства, системы и сети хранения данных

Компьютерные системы разных классов нуждаются и в разных классах устройств хранения. В простейшем случае к одному хосту подключается одно или несколько собственных (локальных) устройств хранения. В случае объединения компьютеров в сети появляются более сложные конфигурации и варианты соединения устройств хранения и хостов.

Хост (host) — это компьютер (процессор и память), к которому подключается устройство хранения.

Физическое устройство храненияэлементарное устройство, позволяющее выполнять энергонезависимое хранение блоков данных на одном носителе (возможно, сменном). Примеры — винчестер, привод CD/DVD, флэш-память с интерфейсом USB и т. п.

Подсистема (subsystem) хранения представляет собой множество устройств, подключенных к концентратору, имеющему интерфейс связи с хостом. Пример подсистемы хранения — массив RAID.

Система хранения данныхэто конструкция, обеспечивающая автоматический доступ к более чем одному сменному носителю:

  • Автозагрузчикконструкция с одним приводом (ленточным или дисковым), снабженным магазином, а который устанавливаются несколько носителей. Загрузка носителя в привод выполняется автоматически (по команде к устройству) в произвольном порядке.

  • Стекер — конструкция с одним приводом и механизмом подачи, в который устанавливается стопка носителей. Носители в привод загружаются в том порядке, в котором они установлены (стек), и лишь однократно, Стекеры используются для автоматических систем резервного копирования и архивирования.

  • Библиотека — конструкция с несколькими приводами и большим количеством носителей, связанных роботом, который может любой носитель поместить в любой привод (и извлечь). Библиотека обеспечивает одновременный доступ к нескольким носителям, а также повышение надежности (допускается отказ одного привода).

Хост, предоставляющий доступ к своим хранилищам другим хостам, связанным с ним по сети, является сервером. Файл-сервер (file server) предоставляет возможность выполнения файловых операций своим клиентам (удаленным хостам): открытие, чтение, запись, создание, удаление файлов и каталогов, расположенных на доступных ему хранилищах. Сервер приложений (application server) позволяет своим клиентам работать с данными, расположенными на доступных ему хранилищах. В этом случае клиенты обращаются к серверу с иными запросами, которые вызывают запросы сервера своим хранилищам. Сервер резервного копирования (backup server) обеспечивает своим клиентам (агентам, работающим как на других серверах, так и на компьютерах конечных пользователей) возможность сохранения (и восстановления) данных на доступных ему хранилищах.

Традиционными являются хранилища, непосредственно подключенные к серверу (Server Attached Storage, SAS); чаще всего хранилищами являются внутренние винчестеры компьютера-сервера. Если в процессе эксплуатации требуется увеличение объема хранилища, то к серверу приходится подключать дополнительные устройства, что сопровождается его остановкой и реконфигурнрованием. В сети, к которой подключен сервер SAS, передаются запросы файловых операций и ответы на них.

С конца 90-х годов стали использоыать хранилища, подсоединенные к сети (Network Attached Storage, NAS). Фактически, NAS — это файл-сервер обеспечивающий доступ к своему хранилищу, как правило, по протоколу NFS (Network File System — сетевая файловая система) или CIFS (Common Internet File System — общая межсетевая файловая система). Однако для потребителя NAS выглядит не как компьютер (с монитором и клавиатурой), а просто как устройство. Функции управления сервером автоматизированы, упрощены и, в основном, скрыты от пользователя. Преимущество NAS — удобство интеграции дополнительных хранилищ в существующие компьютерные сети. Увеличение объема хранимых данных требует лишь подключения дополнительных устройств (NAS) без вмешательства в работу уже существующих. С точки зрения сетевого взаимодействия SAS и NAS существенно не различаются. Интерфейс, которым подключается хранилище в топологиях SAS и NAS, может быть любой разновидностью АТА или SCSI.

Иная модель взаимодействия используется в уже упоминавшихся сетях хранения данных (SAN), объединяющих хосты (компьютеры) и хранилища данных, в этих сетях к устройствам хранения передаются блочные запросы, а не файловые. Сеть SAN отделяют от общей сети (LAN/WAN), что снижает зависимость эффективной скорости передачи данных для устройств хранения в распределенных системах от непредсказуемого трафика в общей сети. Сеть SAN может быть реализована на основе как массовой технологии Ethernet, так и более эффективных (но и дорогих) технологий, например Fibre Channel, лучше приспособленных для передачи SCSI-команд. Технология Fibre Channel применяется в локальных сетях SAN (хотя допускает удаление узлов до 10 км). В SAN для передачи файловых запросов NFS и CIFS используется IP-протокол.

Для сокращения задержек предлагаются различные решения. Одно из них — переход на файловые системы прямого доступа (Direct Access File System, DAFS) с использованием удаленного прямого доступа к памяти (Remote Direct Memory Access, RDMA). Это один из примеров, иллюстрирующий сближение и взаимное проникновение технологий SAM и NAS.


Логическая структура дисков

С аппаратной точки зрения любое устройство хранения прямого доступа (диск) можно представить как совокупность секторов, адресуемых тем или иным способом (CHS или LBA), и каждый сектор может быть записан и считан только целиком и независимо от других. Для облегчения обращения к файлам и упорядочения использования пространства секторов писка в состав любой операционной системы входит файловая система, тесно связанная с логической структурой диска.

Разделы и логические диски

Операционная система представляет внешнюю память в виде набора логических дисков (logical drive). Каждому логическому диску присваивается свое логическое имя.

Логический диск — это совокупность секторов с последовательно нарастающими номерами. Самый первый сектор логического диска называется загрузочным (boot sector). В этом секторе всегда хранится описатель параметров диска и файловой системы. Дополнительно может содержаться программа загрузки операционной системы (загрузчик). Если на диске с загрузчиком присутствуют еще и сами файлы ОС, что обеспечивает возможность за грузки этой ОС на компьютер, такой диск называется системным.

Структуру жесткого диска показана на рис. 9.3



Рис. 9.3. Структура жесткого диске

Физический жесткий диск может быть разбит на несколько разделов (partition). Информация о структуре диска — таблица разделов (partition table) — хранится в главной загрузочной записи (Master Boot Record, MBR), находящейся в общеизвестном месте — цилиндр 0, головка 0, сектор 1. В начале этого сектора располагается программа главного загрузчика (master boot), а за ней — таблица разделов, содержащая четыре описателя разделов. Каждый описатель задает границы разделов, причем в двух системах; СНS (координаты начала и конца) и LBA (начало и длина). Разделы, как правило, начинаются точно по границе цилиндра (координаты N, 0, 1). Кроме первого, начинающегося обычно с первой головки нулевого цилиндра (0, 1, 1), поскольку под нулевой головкой расположен сектор с MBR, заканчиваться разделы должны на границе цилиндра, что позволяет через номера конечной головки и конечного сектора определить число головок и секторов на треке.

Описатель задает атрибуты раздела — системный код и флаг активности. Флаг активности указывает главному загрузчику, какой раздел ему следует загружать. Флаг активности может быть установлен только для одного раздела диска (или вообще не устанавливаться). Системный код определяет тип раздела; операционная система для своей файловой системы может использовать разделы только известных ей типов. Таблица разделов может заполняться как с начала, так и с конца. Если разделов меньше четырех, то свободные описатели обнуляются. Свободные описатели, равно как и занятые, могут располагаться в любом месте таблицы (в начале, середине, конце).

Структура раздела зависит от его типа. Некоторые системные коды (типы разделов) приведены в табл. 9.4.

Таблица 9.4.Коды и типы разъемов жесткого диска



Разделы с кодами (01, 04, 06, 0В, ОС, 0Е) являются первичными разделали (primary partition) DOS/Windows. Первичный раздел содержит один логический диск. В первом секторе логического диска находится загрузчик, а также описатель типа файловой системы (FAT12, FAT16, FAT32) и структуры диска. Загрузчик загружает ОС, расположенную на данном диске (если он системный). За загрузчиком располагаются несколько копий таблицы размещения файлов (File Allocation Table, FAT), корневой каталог и собственно область данных диска. Разные коды первичных разделов указывают на различную разрядность FAT.

Расширенный раздел (extended partition), имеющий в табл. 9.4 код 05 или 0F, служит для организации произвольного количества логических дисков (на рис. 9.3 раздел 2 является расширенным). Первый сектор расширенного раздела аналогичен MBR (но загрузчик отсутствует) и содержит расширенную таблицу разделов (Extended Partition Record, EPR) той же структуры, но с некоторыми оговорками. Первый описатель задает вторичный (secondary) раздел отведенный под очередной логический диск. В нем указывается код раздела с файловой системой (для DOS/Windows это FAT с кодами 04h, 06h, 0Bh, OCh или OEh, для других ОС — свои), В этом описателе, как обычно, задаются координаты начала и конца раздела с логическим диском (трехмерные и линейные). Если этот логический диск занимает не весь объем расширенного раздела, то второй описатель тоже имеет код 05 или 0F и указывает на положение сектора со следующей расширенной таблицей разделов. Остальные описатели не используются (их коды нулевые).

Каждый логический диск из расширенного раздела имеет ту же структуру, что и вышеописанный первичный раздел. Он также начинается с загрузочного сектора (только загрузчик никогда не исполняется), в котором имеется описание структуры логического диска. Координаты загрузочных секторов логических дисков обычно имеют вид N, 1, 1. Операционная система назначает логическим дискам расширенных разделов имена (буквы), остающиеся после дисков первичных разделов.

Параметры винчестеров

Перечислены общие параметры диска:

  • Форматированная емкость (formatled capacity), гигабайт (мегабайт), представляет собой объем хранимой полезной информации, то есть сумму полей данных всех доступных секторов. Неформатированная емкость (unformatted capacity) представляет собой максимальное количество битов, записываемых на всех треках диска, включал служебную информацию (заголовки секторов, контрольные коды полей данных). Соотношение форматированной и неформатированной емкостей определяется форматом трека (размером сектора), но поскольку для рядового пользователя свободы выбора формата нет, практический интерес представляет только форматированная емкость диска, которая указывается для стандартного размера сектора (512 байт). Напомним, что мегабайт и гигабайт здесь обычно означают 106 и 109 байт, иногда указывается число доступных секторов.

  • Скорость вращения шпинделя (spindle speed), намеряемая в оборотах в минуту (Revolutions Per Minute, RPM). позволяет косвенно судить о производительности {внутренней скорости). Для жестких дисков широкого применения значение 3600 об/мин было стандартным несколько лет назад; сейчас обычной скоростью считается -4500 и 5400, а 7200 — более высокой. Там, где производительность особо критична, используют диски со скоростью 10000 и 15000 об/мин

  • Интерфейс (interface) определяет способ подключения накопителя. Для накопителей со встроенным контроллером распространены интерфейсы АТА и SCSI (параллельные и последовательные), для устройств внешнего исполнения применяют шины USB, FireWire и Fibre Channel, а также подключение к LPT-порту.

  • Объем буферной памяти, возможности кэширования (чтение, запись, многосегментность, адаптивность).

Следующая группа параметров — параметры внутренней организации:

  • Количество физических дисков (disks), или рабочих поверхностей (data surfaces), используемых для хранения данных. Современные накопители с небольшой высотой имеют малое (1-3) количество дисков для облегчения блока головок. Большее число дисков (и большая высота) характерно для старых накопителей и современных накопителей большой емкости.

  • Количество физических головок чтении-записи (read/write heads), естественно, совпадающее с числом рабочих поверхностей. Заметим, что число головок (и рабочих поверхностей) может быть и меньше удвоенного числа дисков — обычно в каждом семействе есть такого рода модели. Это делается для утилизации дисков, у которых одна из поверхностей оказывается с производственным браком, или исходя из других технологических соображений.

  • Физическое количество цилиндров (cylinders) от нескольких сотен, характерных для первых винчестеров, возросло до десятков тысяч.

  • Размер сектора (byles per sector) обычно составляет 512 байт.

  • Количество зон и количество секторов на треке (sectors per track) в крайних зонах.

  • Расположение сервометок. Они могут располагаться на выделенной поверхности (dedicated servo), встраиваться в рабочие поверхности (embedded servo) или иметь гибридный вариант расположения (hybrid servo).

  • Методом кодирования (recording method, или data encoding scheme) u декодирования данных может быть метод MFM (FM почти и не применяли), RLL (ARLL) или PRML. Последний является наиболее прогрессивным.

Следующими описываются параметры внешней (логической) геометрии для устройств ATА:

  • Поддержка режима линейной адресации LBA (может отсутствовать у старых дисков небольшого объема).

  • Поддержка трансляции CHS (для дисков большого размера согласно ATА/АТАРI необязательна, но на практике почти всегда имеется).

  • Количество цилиндров, головок и секторов на трек (при трансляции CHS) по умолчанию и ввозможности задания геометрии.

Быстродействие и производительность характеризуются следующими параметрами:

  • Время перехода на соседний трек (track-to-track seek), измеряемое в миллисекундах, характеризует быстродействие системы позиционирования. Для современных жестких дисков характерно время перехода 0,5-2 мс, причем для записи оно несколько больше, чем для считывания (записывать лучше при более точном позиционировании).

  • Среднее время поиска (average seek time) определяется по серии обращений к случайным цилиндрам. Для большинства современных дисков оно состав ляет около 8-10 мс, и самых быстрых его удается снизить до 4-5 мс. Для винчестеров со скоростью 10000 об./мин (обозначаются как 10К) время поиска в зависимости от дальности перехода составляет от 0,3 мс (на соседний трек) до 12 мс (от края до края). Чем больше объем накопителя, тем сложнее достичь малого времени поиска: большее число головок труднее быстро перемещать; большее число цилиндров либо увеличивает длину перемещения головок, либо повышает требования к точности позиционирования.

  • Максимальное или полное, время поиска (maximum seek time, full seek time) относится к самым дальним переходам между крайними цилиндрами. Оно примерно в два раза превышает среднее время поиска.

  • Среднее время ожидания (average latency) сектора при одиночном обращении обычно составляет половину времени полного оборота (для 3600 о.б/мин - 8 мс, 7200 об./мин - 4 мс, 15 000 об/мин - 2 мс).

  • Внутренняя скорость передачи данных (internal transfer rate) между носителем и буферной памятью контроллера задает физический предел производительности накопителя. Эта скорость выражается в разных величинах, если указывается в мегабитах в секунду (Mb/s), то сюда кроме пользовательских данных входят и накладные расходы - биты служебных полей. У самых высокоскоростных винчестеров (с частотой вращения 15000 об./мин) этот параметр подбирается к 900 Мбит/с. При выражении скорости в мегабайтах в секунду (МВ/s) подразумеваются только байты пользовательским данных поэтому пересчет в мегабиты в секунду простым умножением на 8 (число битов в байте) неправомерен. У современных винчестеров с частотой вращения 5400 об./мин скорость составляет 15-25 Мбайт/с, с частотой вращения 7200 об./мин — 30-60 Мбайт/с. Для каждой модели обычно указывают минимальное и максимальное значения скорости, соответствующие внутренним и внешним трекам.

  • Внешняя скорость передами данных (external transfer rate), измеряемая в килобайтах (мегабайтах) полезных данных в секунду, передаваемых по шине внешнего интерфейса, зависит от быстродействия электроники контроллера, типа интерфейсной шины и режима обмена. Для интерфейса АТА в режиме обмена PIO Mode 0 скорость составляет - 3,3 Мбайт/с, в режиме PIO Mode 4 – 16,6 Мбайт/с, в режиме Ultra-DMA – 33, 66, 100 и даже 133 Мбайт/с. Для шин SCSI ограничения скорости в зависимости от типа электрического интерфейса составляют 5, 10. 20, 40, 80, 160 и даже 320 Мбайт/с, а для Fibre Channel - 100 и 200 Мбайт/с.

  • Длительная производительность (sustained throughput) определяется при последовательном чтении большого количества секторов. На нее влияют все составляющие: внутренняя и внешняя скорости, время позиционирования, задержка подхода сектора, количество ошибок позиционирования и чтения. Минимальное гарантированное значение этой скорости определяет возможность применения накопителя для мультимедийных приложений (записи и чтения - аудио и видеоданных) реального времени. Современные винчестеры с частотой вращения 5400 об./мин выдерживают потоки 15-50 Мбайт/с, с частотой вращения 7200 об./мин — 20-60 Мбайт/с, с частотой вращения 10000 об./мин - 40-80 Мбайт/с, с частотой вращения 15000 об./мин - 40-100 Мбайт/с. Эта скорость всегда ниже максимального значения внутренней скорости и предела внешней скорости.

Для мультимедийных приложений в новых дисках имеются специальные варианты команд считывания и записи (потоковое расширение ATA/ATAPI-7) отличающиеся особой обработкой ошибок и политикой кэширования.

Надежность (reliability) устройства и достоверность хранения данных (data integrity) характеризуются следующими параметрами:

  • Ожидаемое время до отказа (Mean Time Before Failure, MTBF), измеряемое в сотнях тысяч часов, является, естественно, среднестатистическим показателем для данного изделия. Реально столько часов (100 000 ч — это более 10 лет) испытания проводить, естественно, невозможно. На самом деле производится выборка из большой группы устройств, какая-то часть которых за вполне обозримое время испытаний выходит из строя. По зафиксированному потоку отказов теория вероятностей позволяет вычислить это условное ожидаемое время безотказной работы. Значение MTBF, равное 100000 ч, считается малым, 200000-400000 ч — нормальным, а 1000000 ч — высоким показателем надежности. Иногда указывают и ожидаемое время наработки на отказ (Power On Hours, РОН), в котором учитывается только время работы устройства (в MTBF не учитывается, включено устройство или нет).

  • Более ценным для пользователя является гарантийный срок (limited warranty), в течение которого изготовитель (или поставщик) обеспечивает ремонт или замену отказавшего устройства. Примечательно, что даже при MTBF -- 800 000 ч (91 год) изготовитель дает гарантию всего 3-5 лет.

  • Вероятность неисправимых ошибок чтения (nonrecoverable read errors per bits read) для современных винчестеров имеет порядок одной ошибки на 1014 считанных битов. Оценить, много это или мало, можно следующим образом. Пусть винчестер постоянно находится в работе, и к нему непрерывно идут обращения со средней производительностью чтения, которую “на глазок” можно оценить в 1 Мбайт/с (это соответствует, например, умеренно загруженному диску сервера). Тогда простая арифметика показывает, что раз в 115 дней будут возникать ошибки, не восстанавливаемые (но обнаруженные!) схемами ЕСС-контроля. Вполне вероятно, что повторное считывание сектора пройдет без ошибок.

  • Вероятность исправимых ошибок чтения (recoverable read errors per bits read) имеет порядок единицы на 1011 считанных битов. Если бы не было ЕСС-контроля (или при неисправной схеме контроля, с чем автору доводилось сталкиваться на практике), этот поток ошибок сделал бы работу с накопителем просто невыносимой (в том же примере ошибки будут появляться чаше, чем раз в три часа).

  • Вероятность ошибок поиска (seek errors per seek) характеризует качество сервосистемы. Для современных винчестеров характерна вероятность одной ошибки на 108 операций поиска. Эти ошибки (при малом их числе) вполне безобидны, поскольку наличие, номера цилиндра в заголовке каждого сектора не позволяет промахнуться при выполнении операций чтения или записи. Повторение операции поиска только слегка снижает среднее время доступа.

Уровень акустическою шума характеризуется звуковой мощностью (sound power), излучаемой винчестером. На холостом ходу для винчестеров обычного применения (скорость вращения 5400 об./мин) желателен уровень до 30 дБ, при позиционировании желательно, чтобы он возрастал не более чем на 3-4 дБ, Для высокопроизводительных винчестеров (7200об,/мин). которые, естественно, шумят больше, желателен уровень до 35 дБ на холостом ходу. Для винчестеров, предназначенных для работы в устройствах бытовой электроники, желателен уровень до 25 дБ. Часто уровень шума указывают в белах, эти цифры выглядят скромнее (25 db и 2,5 b — это одно и то же). Шум винчестера сильно зависит от корпуса компьютера, в который его устанавливают, и от способа крепления.

Потребляемая мощность определяется номинальными и пиковыми токами, потребляемыми по цепям +5 В и +12, В, Пик потребления по цепи +12 В возникает при раскрутке шпиндельного двигателя. Если блок питания компьютера не выдерживает этого пика (например, при одновременном запуске нескольких винчестеров) и напряжение «проседает», то шпиндель за требуемое время не наберет номинальную скорость и контроллер его остановит. Попытки «завести» мотор могут повторяться, что слышно по характерному звуку. Для высокоскоростных винчестеров приходится учитывать тепловыделение — для них может потребоваться специальный вентилятор.







Схожі:




База даних захищена авторським правом ©lib.exdat.com
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації