Хранение информации на магнитных дисках.
Как следует из названия, магнитный диск состоит из одного или нескольких дисков, нанизанных на один шпиндель. Диск имеет тонкое магнитное покрытие, как правило, наносимое на обе стороны. Вся эта конструкция с постоянной скоростью вращается с помощью мотора, так что намагниченные поверхности движутся над головками, выполняющими операции считывания и записи. Головка представляет собой электромагнит, состоящий из сердечника с обмоткой, по которой пропускается ток.
Современный подход заключается в комбинировании синхронизирующей информации и данных. Разработано несколько схем такого кодирования. Одна из таких схем показана на рисунке ниже и известна как фазовое или манчестерское кодирование.
Рис. Представление бита в фазовом кодировании.
Согласно этой схеме намагниченность изменяется для каждого бита данных. Такое изменение происходит в середине той области дорожки, которая предназначена для записи одного бита.
В большинстве современных дисковых устройств диски и головки чтения/записи помещены в плотно закрытый корпус, воздух в которой фильтрируется. Такая технология изготовления жестких дисков называется винчестерской. Она позволяет располагать головки чтения/записи ближе к поверхности дисков, поскольку в закрытом корпусе отсутствуют частицы пыли, представляющие большую проблему для открытых конструкций.
Головки чтения/записи жесткого диска подвижны. Каждой поверхности соответствует одна головка. Все вместе они объединены в гребнеобразную конструкцию, перемещающуюся по радиусу между центром и краем диска, обеспечивая доступ к разным дорожкам. Для чтения и записи заданной дорожки вся система головок должна быть перемещена к этой дорожке.
Организация данных на магнитных дисках.
Организация данных на диске показана на рисунке ниже.
Рис. Организация одной поверхности диска.
Все поверхности диска разбиты на концентрические дорожки, а каждая дорожка, в свою очередь, делится на секторы. Набор расположенных друг за другом дорожек на всех поверхностях диска образует логический цилиндр. Доступ к данным всех дорожек цилиндра осуществляется без перемещения головок. Для доступа к данным задается номер поверхности, номер дорожки, и номер сектора.
На каждой дорожке биты хранятся последовательно. Сектор обычно содержит 512 байт данных, но он может быть и другого размера. Данные предваряются заголовком сектора, содержащим идентификационную (адресную) информацию, которая используется для поиска нужного сектора на выбранной дорожке. За данными следует ряд дополнительных битов, которые составляют код коррекции ошибок (Error Correction Code, ECC). Биты ECC используются для выявления и исправления ошибок, которые могут произойти при чтении или записи 512 байт. Для того чтобы секторы было легче различать, между ними оставляется небольшое пространство – межсекторный интервал.
Обычно на всех дорожках записывается одинаковое количество битов несмотря на то, что длина дорожки на поверхности диска имеет различную продолжительность. Следовательно, плотность записи на разных дорожках неодинакова и она уменьшается при переходе от цента к периферии.
RAID
За последнее десятилетие скорость процессоров существенно возросла и продолжает удваиваться каждые 18 месяцев. Скорость полупроводниковой памяти увеличивается не так быстро. И очень сильно отстают от них по данному показателю жесткие диски, время доступа которых по-прежнему измеряется миллисекундами.
В 1988 году специалистами из Калифорнийского университета Беркли была предложена система хранения на основе нескольких дисков. Ее назвали RAID (Redundant Array of Inexpensive Disk – избыточный массив недорогих дисков). Одновременное использование нескольких дисков позволяет не только увеличить объем и быстродействие запоминающей системы, но и повысить ее надежность. Для RAID-массивов было разработано шесть различных конфигураций, отвечающих различным задачам. Они названы уровнями RAID, хотя никакой иерархии не представляют.
RAID 0 – это базовая конфигурация дискового массива, предназначенная для повышения производительности системы. Один большой файл разбивается на несколько частей, которые записываются на разные диски. Это называется распределением данных. При обращении к такому файлу для чтения диски могут передавать данные параллельно, так что общее время его пересылки по сравнению со временем хранения на одном диске уменьшается во столько раз, сколько дисков в RAID-массиве. Однако время доступа к конкретному диску, то есть задержки на поиск и позиционирование, не уменьшаются. А поскольку все диски работают независимо друг от друга, они имеют разное время доступа. Следовательно, необходимо произвести буферизацию получаемых от дисков фрагментов файлов, в ходе которой файл собирается из частей и отправляется процессору как единое целое. Это простейший способ функционирования дискового массива, при котором уменьшается только время пересылки данных.
Архитектура RAID 1 позволяет повысить надежность хранения данных путем записи их идентичных копий не на одном, а на двух дисках. Такие диски называются зеркальными. Если один из них выходит из строя, операция чтения и записи продолжается с зеркальным диском. Это довольно дорогой способ повышения надежности хранения, поскольку он требует дублирования всех дисков системы.
Уровни RAID 2, RAID 3 и RAID 4 предназначены для повышения надежности системы с помощью различных схем контроля четности, не требующих полного дублирования дисков. Вся информация, предназначенная для контроля четности, хранится на диске.
В RAID 5 также используется схема выявления ошибок, основанная на контроле четности. Однако информация, предназначенная для контроля четности, распределяется между всеми дисками.
Разработано и несколько гибридных схем. Так RAID 10 представляет собой дисковый массив, одновременно выполняющий функции RAID 1 и RAID 0.
Концепция RAID получила коммерческое признание. В частности, компания Dell Comhuter Corparation предлагает свои продукты на основе RAID 0, RAID 1, RAID 5 и RAID 10. Цены на магнитные носители за последние несколько лет значительно снизились. Поэтому термин RAID переопределен как массив «независимых (independent) дисков».