Логическая структура основной памяти

Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный (отличный от всех других) адрес. Основная память имеет для ОЗУ и ПЗУ единое адресное пространство.

Адресное пространство определяет максимально возможное количество непосредственно адресуемых ячеек основной памяти.

Адресное пространство зависит от разрядности адресных шин, ибо максимальное количество разных адресов определяется разнообразием двоичных чисел, которые можно отобразить в n разрядах, т.е. адресное пространство равно 2ⁿ, где n - разрядность адреса.

Для ПК характерно стандартное распределение непосредственно адресуемой памяти между ОЗУ, ПЗУ и функционально ориентированной информацией (рис. 1).

Основная память в соответствии с методами доступа и адресации делится на отдельные, иногда частично или полностью перекрывающие друг друга области, имеющие общепринятые названия.

Основная память компьютера делится на две логические области:

· непосредственно адресуемую память, занимающую первые 1024 Кбайта ячеек с адресами от 0 до 1024 Кбайт-1,

· расширенную память, доступ к ячейкам которой возможен при использовании специальных программ-драйверов.

Драйвер - специальная программа, управляющая работой памяти или внешними устройствами ЭВМ и организующая обмен информацией между МП, ОП и внешними устройствами ЭВМ.

Драйвер, управляющий работой памяти, называется диспетчером памяти.

Стандартная память (СМА - Conventional Memory Area) – это непосредственно адресуемая память в диапазоне от 0 до 640 Кбайт.

Верхняя память (UMA - UpperMemoryArea) – это непосредственно адресуемая память в диапазоне адресов от 640 до 1024 Кбайт. Верхняя память зарезервирована для памяти дисплея (видеопамяти) и постоянного запоминающего устройства. Однако обычно в ней остаются свободные участки - "окна", которые могут быть использованы при помощи диспетчера памяти в качестве оперативной памяти общего назначения.

Расширенная память - это память с адресами 1024 Кбайта и выше.

Непосредственный доступ к этой памяти возможен только в защищенном режиме работы микропроцессора.

В реальном режиме имеются два способа доступа к этой памяти, но только при использовании драйверов:

· по спецификации XMS (эту память называют тогда ХМА - eXtended Memory Area); [Extended – растянутый]

· по спецификации EMS (память называют ЕМ - Expanded Memory).

 

Расширенная память может быть использована главным образом для хранения дат и некоторых программ ОС. Часто расширенную память используют для организации виртуальных (электронных) дисков.

Небольшая 64-Кбайтная область памяти с адресами от 1024 до 1088 Кбайт, называемая высокая память, иногда ее называют старшая: НМА - High Memory Area), обычно используется для хранения программ и данных операционной системы.

Высокая память может адресоваться и непосредственно при использовании драйвера HIMEM.SYS (High Memory Manager) в соответствии со спецификацией XMS.

 

Накопители на жестких магнитных дисках.

Логическая структура диска

Магнитные диски (МД) относятся к магнитным машинным носителям информации. В качестве запоминающей среды у них используются магнитные материалы со специальными свойствами (с прямоугольной петлей гистерезиса), позволяющими фиксировать два магнитных состояния - два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры: 0 и 1. Накопители на МД (НМД) являются наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами в ПК. Диски бывают жесткими и гибкими, сменными и встроенными в ПК.

Информация на МД (рис.4.) записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей - дорожек (треков). Количество дорожек на МД и их информационная емкость зависят от типа МД, конструкции накопителя на МД, качества магнитных головок и магнитного покрытия.

Каждая дорожка МД разбита на сектора. В одном секторе дорожки помещено обычно 512 байт данных. Обмен данными между НМД и ОП осуществляется последовательно целым числом секторов.

Кластер - это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки.

При записи и чтении информации МД вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к дорожке, выбранной для записи или чтения информации.

Данные на дисках хранятся в файлах, которые обычно отождествляют с участком (областью, полем) памяти на этих носителях информации.

Файл - это именованная область внешней памяти, выделенная для хранения массива данных.

Поле памяти создаваемому файлу выделяется кратным определенному количеству кластеров. Кластеры, выделяемые одному файлу, могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являются смежными. Файлы, хранящиеся в разбросанных по диску кластерах, называются фрагментированными.

Для пакетов магнитных дисков (диски установлены на одной оси) и для двухсторонних дисков вводится понятие "цилиндр".

Цилиндром называется совокупность дорожек МД, находящихся на одинаковом расстоянии от его центра/

Винчестер содержит набор пластин, представляющих чаще всего металлические диски, покрытые магнитным материалом – платтером (гамма-феррит-оксид, феррит бария, окись хрома…) и соединенные между собой при помощи шпинделя (вала, оси).
Сами диски (толщина примерно 2мм.) изготавливаются из алюминия, латуни, керамики или стекла. (см. Рис)

Для записи используются обе поверхности дисков. Используется 4-9 пластин. Вал вращается с высокой постоянной скоростью (3600-7200 оборотов/мин.)
Вращение дисков и радикальное перемещение головок осуществляется с помощью 2-х электродвигателей.
Данные записываются или считываются с помощью головок записи/чтения по одной на каждую поверхность диска. Количество головок равно количеству рабочих поверхностей всех дисков.

Информация на магнитных дисках винчестера храниться в секторах расположенных на обеих поверхностях дисков. Сектора в свою очередь располагаются на дорожках (цилиндрах), которых на одной дорожке может быть от 17 до 150 и выше. В начале каждого сектора записывается его заголовок (префикс), по которому определяется начало и номер сектора. В конце каждого сектора записывается заключение (суффикс) содержащее контрольную сумму для проверки целостности данных. Префикс и суффикс являются необходимой служебной информацией, которая записывается при форматировании, данные располагаются между ними.

При этом основной принцип работы жесткого диска компьютера состоит в том, что информация записывается не куда попало, а в строго определенные локации, называемые секторами, которые расположены на концентрических дорожках или треках. Чтобы не было путаницы, применяются единые правила. Имеется ввиду, что принципы работы накопителей на жестких дисках, с точки зрения их логической структуры, универсальны. Так, например, размер одного сектора, принятый за единый стандарт во всем мире, составляет 512 байт.

Далее принцип работы жесткого диска кратко можно описать так: при возникновении воздействия внешнего магнитного поля, собственное поле диска начинает ориентироваться строго вдоль магнитных линий, а при прекращении воздействия на дисках появляются зоны остаточной намагниченности, в которой и сохраняется информация, которая ранее содержалась в основном поле

 

Raid - массивы

RAID (от англ. Redundant Array of Independent Disks – дословно переводится, как избыточный массив независимых дисков) — подразумевает под собой массив, состоящий из нескольких независимых дисков, которые были объединены для конкретных целей и в конкретной конфигурации, для внешней среды (и внутренней системы) представляющие собой единое целое, которые управляются контроллером, с наличием скоростных каналов связи между ними, обеспечивающих максимально возможное быстродействие в сочетании с безопасностью сохранения данных в массиве. 1987 г.

RAID предназначен для создания диска большого объема с увеличенной скоростью доступа к нему, сохраняющий данные в случае непредвиденных обстоятельств с большой долей гарантии.  RAID состоит из нескольких накопителей на жестких магнитных дисках, аппаратного или программного RAID-контроллера, системы управления. Ложкой дегтя в технологии RAID является повышенная сложность организации хранения данных, а также стоимость организации подобного хранения.

При использовании RAID следует различать пять основных понятий:

Массив (от англ. Array) – представляет из себя несколько накопителей, настройка и управление которыми происходит централизованно.

Зеркалирование (от англ. Mirroring) – заключается в технологии, позволяющей повысить надежность системы за счёт дублирования данных. В RAID, использующем зеркалирование, при записи данных используется дисковое пространство второго жесткого диска.

Таким образом, информация сохраняется зеркально на другой носитель независимо, что позволяет использовать ее даже в случае отказа одного из носителей. При такой организации нет никакого выигрыша в производительности, однако намного повышается шанс сохранить данные даже в случае выхода из строя 50% системы.

Дуплекс (от англ. Duplexing) –разделение массива данных на два независимых друг от друга RAID-контроллера. Каждый RAID-контроллер создает массив на одном диске и его зеркальную копию на другом. Таким образом, информация не только дублируется внутри одного из массивов на другой физический диск, но и между обоими RAID, в конечном счете находясь на 4 различных физических носителях, независимых друг от друга, что многократно повышает надежность системы. Настолько дорогостоящие системы обычно применяются для организации ответственного хранения наиболее важной информации.

Чередование (от англ. Striping) – система организации накопителей информации, при котором существенно увеличивается скорость как записи, так и ее воспроизведения в RAID. Заключается такая система в принципе «разбития» информации (файла) на более мелкие части, которые записываются одновременно и параллельно на все носители. При этом повышается и скорость считывания информации, которая происходит так же одновременно и параллельно со всех носителей.

Четность (от англ. Parity) – решение, вобравшее в себя все плюсы зеркалирования и дуплексности (максимизация надежности хранения информации) и чередования (наивысшая скорость работы с информацией). В данной системе используется принцип, схожий с принципом контроля четности оперативной памяти. При наличии N блоков данных и вычисляющегося на их основе еще одного дополнительного блока, информацию можно восстановить из получившихся (N+1) блоков, даже при условии повреждения одного из них. Следовательно, при создании RAID в данном конкретном случае потребуется (N+1) накопителей информации. При распределении блоков по жестким дискам используется распределение по чередованию, а дополнительный блок данных может записываться либо на отдельный накопитель информации, либо распределяться долями по всем дискам, участвующим в системе.

Каждый бит вышеуказанного дополнительного блока данных содержит в себе сумму бит всех N блоков, а именно – из результата выполнения операции XOR (от англ. eXclusive OR «исключающее или» - представляет собой бинарную логическую операцию, возвращающую значение TRUE только лишь тогда, когда один из ее операндов TRUE, а другой – FALSE. Т.е., если соответствующие двоичные биты операнда различны, то двоичный разряд результата равен «1», если же двоичные биты операнда совпадают, то двоичный разряд результата равен «0»).При этом из-за чередования повышается скорость работы с массивом, а при использовании четности повышается надежность.

В 1987 г. Паттерсон, Гибсон и Катц, американские исследователи из Калифорнийского университета в Беркли, описали в своей статье A Case for Redundant Arrays of Inexpensive Disks (RAID) несколько типов дисковых массивов, обозначив их аббревиатурой RAID. Основная идея RAID состояла в объединении нескольких небольших и недорогих дисков в массив, который по производительности не уступал бы одному большому диску (Single Large Expensive Drive, SLED), использовавшемуся обычно с компьютерами типа мэйнфрейм. Заметим, что для компьютера этот массив дисков должен был выглядеть как одно логическое устройство. Увеличение количества дисков в массиве, как правило, означало повышение производительности, по крайней мере при чтении информации.

Сейчас вполне качественные диски имеют разумную стоимость, и RAID становится основным элементом современного сервера любого уровня (а зачастую и более "простого" компьютера). Тем не менее когда мы говорим о RAID, то о дешевизне лучше сразу забыть. Стоимость полных RAID-систем снижается медленнее, чем цены на базовые диски. Это вызвано высокими накладными расходами при построении RAID, в частности, потребностью в контроллерах, коннекторах, специализированном ПО и т. п.

Применение RAID повышает отказоустойчивость дисковой системы и ее производительность. Отказоустойчивость достигается благодаря избыточности - в RAID объединяется больше дисков, чем это необходимо для получения требуемой емкости. Производительность дисковой системы повышается за счет параллельной обработки запросов. Современные интерфейсы позволяют осуществлять операции записи и считывания фактически одновременно на нескольких дисках, поэтому в первом приближении можно рассчитывать, что скорость записи или чтения для RAID увеличивается пропорционально количеству дисков, объединяемых в массив. Одновременную работу с несколькими дисками можно реализовать с использованием либо параллельного, либо независимого доступа.

Вообще говоря, в основе технологии RAID лежат три основных метода записи и защиты информации:

· распределение последовательности сегментов данных по дискам с определенной циклической очередностью (поочередное размещение);

· зеркальное отображение дисков;

· вычисление контрольных сумм.

Поочередное размещение сегментов на разных дисках позволяет создавать большие тома и ускорять выполнение операций ввода-вывода; зеркалирование накопителей и вычисление контрольных сумм дают избыточность информации, позволяющую в случае сбоя восстановить утраченные данные.

До появления метода поочередного размещения информация сначала записывалась на один диск, а затем, когда свободное пространство на нем заканчивалось, - на другой. При таком подходе к размещению информации тоже можно создавать большие тома, но никакого ускорения работы дисковой подсистемы не происходит.

Реализуемое в системах RAID поочередное размещение предполагает запись первого сегмента данных на первый диск, второго - на второй и т. д. В этом случае производительность массива повышается, поскольку компьютер начинает записывать очередной сегмент данных (на следующий диск) еще до того, как закончил запись предыдущего сегмента. Для дальнейшего повышения производительности дисковых систем отдельные группы дисков подключаются к разным контроллерам.

Уровни Raid- массивов