Магнітні і магнітооптичні диски

Як правило, периферійні пристрої комп'ютерів поділяються на пристрої введення та пристрої виведення і зовнішні запам'ятовуючі пристрої (здійснюють як введення даних в машину, так і висновок даних з комп'ютера). Основний узагальнюючої характеристикою пристроїв введення / виводу може служити швидкість передачі даних (максимальна швидкість, з якою дані можуть передаватися між пристроєм вводу / виводу і основний пам'яттю або процесором). У табл. 8.1. представлені основні пристрої введення / виводу, що застосовуються в сучасних комп'ютерах, а також вказані зразкові швидкості обміну даними, що забезпечуються цими пристроями.

Приклади пристроїв введення / виводу

Напрямок передачі даних

Швидкість передачі даних (Кбайт / с)

Ми розглянемо найбільш швидкі з цих пристроїв: магнітні і магнітооптичні диски.

Спочатку розглянемо основну термінологію, яка застосовується при описі магнітних дисків і контролерів, а потім приведемо типові характеристики декількох сучасних дискових підсистем.

Дисковий накопичувач зазвичай складається з набору пластин, які представляють собою металеві диски, покриті магнітним матеріалом і з'єднані між собою за допомогою центрального шпинделя. Для запису даних використовуються обидві поверхні пластини. В сучасних дискових накопичувачах використовується від 4 до 9 пластин. Шпиндель обертається з високою постійною швидкістю (зазвичай 3600 5400 або 7200 оборотів в хвилину). Кожна пластина містить набір концентричних записуваних доріжок. Зазвичай доріжки діляться на блоки даних обсягом 512 байт, іноді звані секторами. Кількість блоків, що записуються на одну доріжку залежить від фізичних розмірів пластини і щільності запису.

Дані записуються або зчитуються з пластин за допомогою головок запису / зчитування, по одній на кожну поверхню. Лінійний двигун являє собою електро-механічний пристрій, що позиціонує головку над заданою доріжкою. Зазвичай головки кріпляться на кронштейнах, які приводяться в рух каретки. Циліндр - це набір доріжок, відповідних одному положенню каретки. Накопичувач на магнітних дисках (НМД) являє собою набір пластин, магнітних головок, кареток, лінійних двигунів плюс герметичний корпус. Дисковим пристроєм називається НМД з відносяться до нього електронними схемами.

Продуктивність диска є функцією часу обслуговування, яке включає в себе три основних компоненти: час доступу, час очікування і час передачі даних. Час доступу - це час, необхідний для позиціонування головок на відповідну доріжку, яка містить дані, які розшукуються. Воно є функцією витрат на початкові дії по прискоренню головки диска (близько 6 мс), а також функцією числа доріжок, які необхідно перетнути на шляху до шуканої доріжці. Характерні середні часи пошуку - час, необхідний для переміщення головки між двома випадково вибраними доріжками, лежать в діапазоні 10-20 мс. Час переходу з доріжки на доріжку менше 10 мс і зазвичай становить 2 мс.

Другим компонентом часу обслуговування є час очікування. Щоб шуканий сектор повернувся до суміщення з положенням головки потрібен якийсь час. Після цього дані можуть бути записані або прочитані. Для сучасних дисків час повного обороту лежить в діапазоні 8-16 мс, а середній час очікування становить 4-8 мс.

Останнім компонентом є час передачі даних, тобто час, необхідний для фізичної передачі байтів. Час передачі даних є функцією від числа переданих байтів (розміру блоку), швидкості обертання, щільності запису на доріжці і швидкості електроніки. Типова швидкість передачі дорівнює 1-4 Мбайт / с.

До складу комп'ютерів часто входять спеціальні пристрої, які називаються дисковими контролерами. До кожного дискового контролера може підключатися кілька дискових накопичувачів. Між дисковим контролером і основною пам'яттю може бути ціла ієрархія контролерів і магістралей даних, складність якої визначається головним чином вартістю комп'ютера. Оскільки час передачі часто становить дуже невелику частину загального часу доступу до диска, контролер в високопродуктивної системі роз'єднує магістралі даних від диска на час позиціонування так, що інші диски, під'єднані до контролера, можуть передавати свої дані в основну пам'ять. Тому час доступу до диска може збільшуватися на час, пов'язане з накладними витратами контролера на організацію операції введення / виводу.

Розглянемо тепер основні складові часу доступу до диска в типовій підсистемі SCSI. Така підсистема включає в себе чотири основні компоненти: основний комп'ютер, головний адаптер SCSI, вбудований в накопичувач на комп'ютері контролер і власне накопичувач на магнітних дисках. Коли операційна система отримує запит від користувача на виконання операції введення / виводу, вона перетворює цей запит в набір команд SCSI. Запитувач процес при цьому блокується і відкладається до завершення операції введення / виводу (якщо тільки це був не запит асинхронної передачі даних). Потім команди пересилаються по системі шин в головний адаптер SCSI, до якого підключений необхідний дисковий накопичувач. Після цього відповідальність за виконання взаємодії з цільовими контролерами і їх пристроями лягає на головний адаптер.

Потім головний адаптер вибирає цільове пристрій, встановлюючи сигнал на лінії управління шини SCSI (ця операція називається фазою вибору). Природно, шина SCSI має бути доступна для цієї операції. Якщо цільове пристрій повертає відповідь, то головний адаптер пересилає йому команду (це називається фазою команди). Якщо цільової контролер може виконати команду негайно, то він пересилає в головний адаптер запитані дані або стан. Команда може бути обслужена негайно, тільки якщо це запит стану, або команда запитує дані, які вже знаходяться в кеш-пам'яті цільового контролера. Зазвичай же дані не доступні, і цільової контролер виконує роз'єднання, звільняючи шину SCSI для інших операцій. Якщо виконується операція записи, то за фазою команди на шині негайно слід фаза даних, і дані містяться в кеш-пам'ять цільового контролера. Підтвердження записи зазвичай не відбувається до тих пір, поки дані справді не запишуться на поверхню диска.

Після завершення операції введення / виведення цільової контролер в разі свободи шини з'єднується з головним адаптером, слідом за чим виконується фаза даних (при передачі даних з цільового контролера в головний адаптер) і фаза стану для вказівки результату операції. Коли головний адаптер отримує фазу стану, він перевіряє коректність завершення фізичної операції в цільовому контролері і відповідним чином інформує операційну систему.

Однією з характеристик процесу введення / виведення SCSI є велика кількість кроків, які зазвичай не видно користувачеві. Зазвичай на шині SCSI відбувається зміна семи фаз (вибір, команда, роз'єднання, повторне з'єднання, дані, стан, роз'єднання). Природно кожна фаза виконується за деякий час, що витрачається на використання шини. Багато цільові контролери (особливо повільні пристрої подібні магнітних стрічок і компакт-дисків) споживають значну частину часу на реалізацію фаз вибору, роз'єднання і повторного з'єднання.

Варіанти застосування високопродуктивних підсистем введення / виведення широко варіюються в залежності від вимог, які до них пред'являються. Вони охоплюють діапазон від обробки малого числа великих масивів даних, які необхідно реалізувати з мінімальною затримкою (введення / виведення суперкомп'ютера), до великого числа простих завдань, які оперують з малими обсягами даних (обробка транзакцій).

Запити на введення / виведення заданої робочого навантаження можна характеризувати в термінах трьох метрик: продуктивність, час очікування і пропускна здатність. Продуктивність визначається числом запитів на обслуговування, одержуваних в одиницю часу. Час очікування визначає час, необхідний на обслуговування індивідуального запиту. Пропускна здатність визначає кількість даних, переданих між пристроями, що вимагають обслуговування, і пристроями, що виконують обслуговування.

Введення / висновок суперкомп'ютера майже повністю визначається послідовним механізмом. Зазвичай дані передаються з диска в пам'ять великими блоками, а результати записуються назад на диск. У таких застосуваннях потрібна висока пропускна здатність і мінімальний час очікування, однак вони характеризуються низькою продуктивністю. На відміну від цього обробка транзакцій характеризується величезним числом випадкових звернень, відносно невеликими відрізками роботи і вимагає помірного часу очікування при дуже високій продуктивності.

Так як системи обробки транзакцій витрачають велику частину часу обслуговування на пошук і очікування, технологічні успіхи, що призводять до скорочення часу передачі, не чинитимуть особливого впливу на продуктивність таких систем. З іншого боку, в наукових цілях на пошук даних і на їх передачу витрачається однаковий час, і тому продуктивність таких систем виявляється дуже чутливою до будь-яких удосконалень в технології виготовлення дисків. Як буде показано нижче, можна організувати матрицю дисків таким чином, що буде забезпечена висока продуктивність введення / виводу для широкого спектра робочих навантажень.

В останні роки щільність запису на жорстких магнітних дисках збільшується на 60% в рік при щоквартальному зниженні вартості зберігання одного Мегабайта на 12%. За даними фірми Dataquest така тенденція збережеться і в найближчі два роки. Зараз на ринку представлений широкий асортимент дискових накопичувачів місткістю до 9.1 Гбайт. При цьому середній час доступу у найшвидших моделей досягає 8 мс. Наприклад, жорсткий диск компанії Seagate Technology має ємність 4.1 Гбайт і середній час доступу 8 мс при швидкості обертання 7200 оборот / хв. Поліпшуються також характеристики дискових контролерів на базі нових стандартів Fast SCSI-2 і Enhanced IDE. Передбачається збільшення швидкості передачі даних до 13 Мбайт / с. Надійність жорстких дисків також постійно поліпшується. Наприклад, деякі моделі дисків компаній Conner Peripherals Inc. Micropolis Corp. і Hewlett-Packard мають час напрацювання на відмову від 500 тисяч до 1 мільйона годин

Іншим напрямком розвитку систем зберігання інформації є магнітооптичні диски. Запис на магнітооптичні диски (МО-диски) виконується при взаємодії лазера і магнітної головки. Промінь лазера розігріває до точки Кюрі (температури втрати матеріалом магнітних властивостей) мікроскопічну область записуючого шару, яка при виході із зони дії лазера остигає, фіксуючи магнітне поле, наведене магнітної голівкою. В результаті дані, записані на диск, не бояться сильних магнітних полів і коливань температури. Всі функціональні властивості дисків зберігаються в діапазоні температур від -20 до +50 градусів Цельсія.

МО-диски поступаються звичайним жорстким магнітним дискам лише за часом доступу до даних. Граничне досягнуте МО-дисками час доступу становить 19 мс. Магнітооптичний принцип запису вимагає попереднього стирання даних перед записом, і відповідно, додаткового обороту МО-диска. Однак завершення недавно дослідження в SONY і IBM показали, що це обмеження можна усунути, а щільність запису на МО-дисках можна збільшити в кілька разів. У всіх інших відносинах МО-диски перевершують жорсткі магнітні диски.

У магнитооптическом дисководі використовуються змінні диски, що забезпечує практично необмежену ємність. Вартість зберігання одиниці даних на МО-дисках в кілька разів менша за вартість зберігання того ж обсягу даних на жорстких магнітних дисках.

Сьогодні на ринку МО-дисків пропонується більше 150 моделей різних фірм. Одне з лідируючих положень на цьому ринку займає компанія Pinnacle Micro Inc. Для прикладу, її дисковод Sierra 1.3 Гбайт забезпечує середній час доступу 19 мс і середній час напрацювання на відмову 80000 годин. Для серверів локальних мереж і робочих станцій компанія Pinnacle Micro пропонує цілий спектр багатодискових систем ємністю 20, 40, 120, 186 Гбайт і навіть 4 Тбайт. Для систем високої готовності Pinnacle Micro випускає дисковий масив Array Optical Disk System, який забезпечує ефективне час доступу до даних не більше 11 мс при швидкості передачі даних до 10 Мбайт / с.