Pamięć zewnętrzna

Wyższa Szkoła Biznesu
Architektura i organizacja
komputerów
Studia zaoczne
Wykład 6

O czym będzie ?

Na tym wykładzie zajmiemy się urządzeniami i systemami

pamięci zewnętrznej.
Rozpoczniemy od najważniejszego urządzenia, jakim jest

dysk magnetyczny. Dyski magnetyczne stanowią podstawę

pamięci zewnętrznej praktycznie wszystkich systemów

komputerowych. Przeanalizujemy też wykorzystanie tablic

dysków w celu osiągnięcia większej wydajności, zwracając

szczególną uwagę na rodzinę systemów zwanych RAID

(Redundant Array of Independent Disks).
Składnikiem

wielu

systemów

komputerowych

jest

zewnętrzna pamięć optyczna - zajmiemy się nią w dalszej

części wykładu.
Na zakończenie opiszemy magnetyczną pamięć taśmową.

Dysk magnetyczny

Dysk to okrągła płyta wykonana z metalu
lub

plastyku,

pokryta

materiałem

magnetycznym.
Dane

są

zapisywane

a

następnie

odczytywane

z

dysku

za

pomocą

przewodzącej cewki zwanej głowicą.
Podczas operacji odczytu lub zapisu
głowica pozostaje nieruchoma, natomiast
obraca się dysk.

Zapis/odczyt na dysku

magnetycznym

Zapis polega na wykorzystaniu pola magnetycznego

wytwarzanego przez prąd elektryczny płynący przez

cewkę. Do głowicy są wysyłane impulsy, co

powoduje zapisywanie wzorów magnetycznych na

powierzchni znajdującej się pod głowicą, przy czym

wzory te są różne dla prądów dodatnich i ujemnych.
Przy odczycie wykorzystuje się prąd elektryczny

powstający

w

cewce

pod

wpływem

pola

magnetycznego dysku poruszającego się względem

cewki. Gdy powierzchnia dysku przesuwa się pod

głowicą, generowany jest prąd o tej samej

biegunowości, jak użyty do zapisu.

Ścieżki, przerwy, gęstość

Głowica jest względnie małym przyrządem umożliwiającym

odczytywanie lub zapisywanie z części płyty obracającej się pod

nią. To właśnie sprawiło, że organizacja danych na płycie ma

postać koncentrycznego zespołu pierścieni, nazywanych

ścieżkami. Każda ścieżka ma taką samą szerokość, jak głowica.
Ten rozkład danych jest przedstawiony na rys. Sąsiednie ścieżki

są oddzielone przerwami. Zapobiega to, a przynajmniej

minimalizuje błędy spowodowane przez niewłaściwe ustawienie

głowicy lub po prostu interferencję pola magnetycznego.
W celu uproszczenia układów elektronicznych na każdej ścieżce

jest przechowywana taka sama liczba bitów. Tak więc gęstość,

wyrażana w bitach na cal, wzrasta w miarę przesuwania się od

ścieżki zewnętrznej do wewnętrznej (to samo zjawisko

występuje na płytach fonograficznych).

Rozkład danych na dysku

Jak zauważyliśmy wcześniej, dane są

przenoszone na dysk i z dysku

blokami. Zwykle blok jest mniejszy

niż pojemność ścieżki. Wobec tego

dane

są

przechowywane

w

obszarach

o

rozmiarach

odpowiadających blokom, zwanych

sektorami.
Na ścieżkę przypada zwykle od 10 do

100 sektorów, mogą one przy tym

mieć długość ustaloną lub zmienną.
W celu zapobieżenia nadmiernie

wysokim wymaganiom dotyczącym

precyzji systemu, sąsiednie sektory

są

oddzielone

przerwami

wewnątrzścieżkowymi

-

międzyrekordowymi.

Jak są identyfikowane

pozycje sektora wewnątrz

ścieżki?

Musi oczywiście istnieć pewien punkt

startowy

na

ścieżce

oraz

sposób

identyfikowania początku i końca każdego

sektora.
Wymagania te są spełniane za pomocą

danych kontrolnych zapisanych na dysku.
Dysk jest więc formatowany za pomocą

dodatkowych danych wykorzystywanych

tylko przez napęd dysku i niedostępnych dla

użytkownika.

Formatowanie dysku

Przykład formatowania dysku jest pokazany na rys.
W tym przypadku każda ścieżka zawiera 30 sektorów o ustalonej

długości, po 600 bajtów każdy. Każdy sektor mieści 512 bajtów

danych oraz informacje kontrolne wykorzystywane przez

sterownik dysku.
Pole ID jest unikatowym (jednoznacznym) identyfikatorem lub

adresem wykorzystywanym do lokalizowania określonego sektora.
Bajt SYNCH jest specjalnym wzorem bitowym wyznaczającym

początek pola.
Numer ścieżki identyfikuje ścieżkę na powierzchni. Numer głowicy

identyfikuje głowicę, ponieważ dysk ma zwykle wiele powierzchni

(będzie to wyjaśnione w dalszym ciągu).
Zarówno pola ID, jak i pola danych zawierają kod służący do

wykrywania błędów.

Format ścieżki dysku

Własności systemów

dyskowych

Ruch głowicy

głowica nieruchoma (jedna na

ścieżkę)

głowica ruchoma (jedna na

powierzchnię)
Wymienność dysku

niewymienny
wymienny

Wykorzystanie stron

jednostronny
dwustronny

Liczba dysków

jednodyskowy
wielodyskowy

Mechanizm
głowicy

kontaktowy

(floppy)

ustalona przerwa
przerwa

aerodynamiczna

Ruch głowicy

Po pierwsze, głowica może być nieruchoma lub poruszać

się wzdłuż promienia płyty.
W przypadku dysków z nieruchomą głowicą, występuje

jedna głowica zapisu/odczytu na jedną ścieżkę.
Wszystkie głowice są zmontowane na sztywnym

ramieniu, które rozciąga się przez wszystkie ścieżki (rys.

a).
W przypadku dysków z ruchomą głowicą, istnieje tylko

jedna głowica zapisu/odczytu (rys. b). Jak poprzednio,

głowica jest umocowana na ramieniu. Ponieważ jednak

musi istnieć możliwość pozycjonowania głowicy nad

dowolną ścieżką, ramię może być w tym celu wydłużane

lub skracane.

Stałe (a) i ruchome (b)

głowice dysku

a)

b)

Dyski niewymienne i

wymienne

Sam dysk jest umocowany w napędzie dysku, który

składa się z ramienia, wałka obracającego dysk i z

układów

elektronicznych

potrzebnych

do

wprowadzania i wyprowadzania danych binarnych.

Dysk niewymienny jest na stałe mocowany w

napędzie dysku.
Dysk wymienny (ang. removable) może być

usunięty i zastąpiony innym dyskiem. Zaletą tego

ostatniego

jest

nieograniczona

ilość

danych

osiągalna przy ograniczonej liczbie systemów

dyskowych. Ponadto dysk taki może być przenoszony

z jednego systemu komputerowego do innego.

Dyski jedno- i dwustronne,

pakiety dysków

W przypadku większości dysków warstwa
magnetyczna jest nanoszona po obu stronach
płyty,

co

jest

określane

jako

dysk

dwustronny.

Niektóre

tańsze

systemy

dyskowe wykorzystują dyski jednostronne.
Niektóre

napędy

dysków

umożliwiają

stosowanie wielu płyt ustawionych pionowo w
odległościach około 2,5cm (rys.). Wykorzystuje
się wówczas wiele ramion. Takie urządzenie jest
nazywane pakietem dysków.

Pakiet dysków

Mechanizm głowicy

Wreszcie, mechanizm głowicy stanowi podstawę do

klarownej klasyfikacji dysków na trzy rodzaje:
Tradycyjnie

głowica

zapisująco-odczytująca

była

umieszczana w ustalonej odległości nad płytą, przy czym

była pozostawiona przerwa powietrzna.
Krańcowo różniące się rozwiązanie mechanizmu głowicy

polega na pozostawieniu jej w fizycznym kontakcie z płytą

podczas operacji odczytu lub zapisu. Mechanizm ten jest

stosowany w przypadku napędu dyskietek, które są

niewielkimi, elastycznymi płytkami i stanowią najtańszy

rodzaj dysków magnetycznych.
Trzecie rozwiązanie mechanizmu głowicy zawierają dyski z

przerwą aerodynamiczną.

Przyczyny stosowania przerwy

mechanizmów z przerwą

aerodynamiczną

Aby zrozumieć powód powstania trzeciego rodzaju

dysków, musimy skomentować zależność między

gęstością danych a rozmiarem przerwy powietrznej.
Głowica

musi

generować

lub

wykrywać

pole

elektromagnetyczne o wielkości wystarczającej do zapisu

i odczytu.
Im węższa jest głowica, tym bardziej musi być zbliżona do

powierzchni płyty, aby urządzenie działało. Ponieważ

węższa głowica oznacza węższe ścieżki i dzięki temu

większą gęstość danych, jest to pożądane.
Jednak im bliżej znajduje się głowica w stosunku do

dysku, tym większe jest ryzyko błędu spowodowanego

przez zanieczyszczenia lub niedokładności.

Dyski Winchester

W wyniku ulepszenia technologii wprowadzono dysk typu

Winchester.
Głowice dysku Winchester pracują w zamkniętych zespołach

napędowych, które są niemal wolne od zanieczyszczeń. Zostały

zaprojektowane do działania w mniejszej odległości od

powierzchni dysków w porównaniu z konwencjonalnymi

głowicami dysków, co umożliwia większą gęstość upakowania

danych.
Głowica ta to aerodynamiczny pasek folii, spoczywający lekko na

powierzchni płyty w czasie, gdy dysk jest nieruchomy.
Ciśnienie powietrza generowane przez wirujący dysk wystarcza,

aby spowodować uniesienie się folii nad powierzchnią. Dzięki

temu można wykorzystać węższe głowice, które pracują bliżej

powierzchni płyty niż konwencjonalne sztywne głowice dysków.

Zapis/odczyt wymaga

pozycjonowania głowicy

Podczas pracy dysk obraca się ze stałą

prędkością.
W celu zapisu lub odczytu głowica musi być

ustawiona nad pożądaną ścieżką i na

początku pożądanego sektora na tej ścieżce.
Wybór ścieżki polega na przesunięciu

głowicy w przypadku systemu z ruchomą

głowicą lub na elektronicznym wyborze

jednej głowicy w systemie z nieruchomymi

głowicami.

Czas dostępu

W systemie z ruchomą głowicą czas pozycjonowania głowicy

nad ścieżką nosi nazwę czasu przeszukiwania (ang. seek

time).
W każdym przypadku po dokonaniu wyboru ścieżki system

czeka, aż odpowiedni sektor znajdzie się pod głowicą. Czas

osiągnięcia głowicy przez sektor jest nazywany opóźnieniem

obrotowym (ang. rotational latency).
Suma czasu przeszukiwania, jeśli taki występuje, oraz

opóźnienia obrotowego nazywa się czasem dostępu -

czasem, który jest wymagany do osiągnięcia stanu

umożliwiającego odczyt lub zapis.
Gdy głowica znajduje się już na właściwej pozycji, operacja

odczytu lub zapisu jest dokonywana w miarę przemieszczania

się sektora pod głowicą.

Tablice dysków

Jak mówiliśmy wcześniej, wydajność pamięci pomocniczych rosła

wyraźnie wolniej niż wydajność procesorów i pamięci głównych. To

niedopasowanie spowodowało, że system pamięci dyskowych stał

się być może głównym ogniskiem zainteresowania w pracach nad

poprawą ogólnej wydajności systemów komputerowych.
Podobnie jak w przypadku pozostałych obszarów wydajności

komputera, projektanci pamięci dyskowych stwierdzili, że przy

ograniczonej możliwości ulepszenia pojedynczych składników

dodatkowe

zwiększenie

wydajności

można

osiągnąć,

wykorzystując równolegle wiele składników.
W przypadku pamięci dyskowej doprowadziło to do opracowania

tablic dysków, które pracują niezależnie i równolegle. Gdy mamy

do czynienia z wieloma dyskami, oddzielne zapotrzebowania na

operacje wejścia-wyjścia mogą być przetwarzane równolegle, jeśli

tylko poszukiwany blok danych jest rozproszony na wielu dyskach.

RAID

W przypadku używania wielu dysków istnieje wiele

sposobów

organizowania

danych

i

poprawy

niezawodności przez wykorzystanie nadmiarowości

(redundancji). Mogłoby to utrudnić opracowanie

schematów baz danych, które mogłyby być używane

na wielu platformach sprzętowych i z różnymi

systemami operacyjnymi.
Na

szczęście

w

przemyśle

uzgodniono

znormalizowany schemat projektowania baz danych

dla

pamięci

wielodyskowych,

znany

jako

redundancyjna tablica niezależnych dysków - RAID

(ang. Redundant Array of Independent Disks).

Wspólne cechy wszystkich

poziomów RAID

Schemat RAID składa się z sześciu poziomów, od zerowego do

piątego. Poziomy te nie implikują zależności hierarchicznej,

lecz wyznaczają różne architektury, które mają trzy cechy

wspólne:

1. RAID jest zespołem fizycznie istniejących napędów dyskowych

widzianych przez system operacyjny jako pojedynczy napęd

logiczny.

2. Dane są rozproszone w tych napędach, tworzących tablicę.
3. Redundancyjna pojemność dysków jest wykorzystywana do

przechowywania informacji o parzystości, co gwarantuje

odzyskiwanie danych w przypadku uszkodzenia dysku.
Szczegółowe rozwiązania dotyczące drugiej i trzeciej cechy są

różne dla różnych poziomów RAID.
Poziom RAID 0 nie wspiera trzeciej cechy.

Pomysł RAID

Termin RAID został po raz pierwszy zaproponowany w artykule

napisanym przez grupę badaczy z University of California w

Berkeley.
W artykule przedstawiono różne konfiguracje i zastosowania

RAID, a także wprowadzono definicje poziomów RAID

stosowaną do dzisiaj. RAID zaproponowano w celu zamknięcia

poszerzającej się luki między szybkimi procesorami a

stosunkowo wolnymi elektromechanicznymi napędami dysków.
Strategia ta polega na zastąpieniu napędu dysku o wielkiej

pojemności wieloma napędami o mniejszej pojemności oraz na

takim rozproszeniu danych, które umożliwia jednoczesny

dostęp do danych w wielu napędach, dzięki czemu uzyskuje się

zwiększenie

wydajności

wejścia-wyjścia

i

łatwiejsze

zwiększanie pojemności.

Zyski ze stosowania RAID

Unikalnym wkładem wniesionym w propozycji RAID

jest efektywne zwiększenie niezawodności przez

redundancję.
Chociaż jednoczesne działanie wielu głowic i

urządzeń

uruchamiających

umożliwiło

przyspieszenie działania wejścia-wyjścia, jednak

stosowanie

wielu

podzespołów

zwiększa

prawdopodobieństwo uszkodzenia.
Aby skompensować tę zmniejszoną niezawodność,

RAID wykorzystuje informację o parzystości, która

pozwala na odtwarzanie danych utraconych z

powodu uszkodzenia dysku.

Nie ma komercyjnych

systemów dla poziomu 2 i

4

Przeanalizujemy teraz każdy z poziomów
RAID. W tabeli są podsumowane własności
wszystkich sześciu poziomów.
Spośród nich poziomy 2 i 4 nie są
oferowane komercyjnie, a ich akceptacja w
przemyśle

nie

jest

prawdopodobna,

chociaż opis tych poziomów pomaga
wyjaśnić decyzje projektowe odnoszące się
do pozostałych poziomów.

Poziomy RAID

Kategor
ia

P

o

zi

o

m

Opis

Częstoś
ć
zgłasza
nia
żądania
wejścia-
wyjścia

Szybkoś
ć
transfer
u
danych

Typowe zastosowanie

(odczyt/zapis)

Paskowa
nie

0 bez

redundancji

duże
paski:
doskonał
a

małe
paski:
doskonał
a

zastosowania wymagające wysokiej
wydajności w odniesieniu do
niekrytycznych danych

Kopiowa
nie
lustrzane

1 lustrzane

kopiowanie
danych

dobra/
dostatecz
na

dostatec
zna

napędy systemowe; krytyczne pliki

Dostęp
równoleg
ły

2 redundancja

poprzez kod
Hamminga

Mała

doskonał
a

 

3 parzystość na

poziomie bitów

Mała

doskonał
a

zastosowania o dużych rozmiarach
zapotrzebowań we-wy, np.
obrazowanie, CAD

Dostęp
niezależ
ny

4 parzystość na

poziomie
bloków

doskonał
a/
dostatecz
na

dostatec
zna/
mała

 

5 rozproszona

parzystość na
poziomie
bloków

doskonał
a/
dostatecz
na

dostatec
zna/
mała

duża częstość żądań, duża
intensywność odczytów,
wyszukiwanie danych

Rozkład informacji na

dyskach

w RAID

Na rysunkach (następne 3 slajdy)) widać

sześć schematów RAID, które dotyczą

pojemności wymagających czterech dysków

bez redundancji.
Na rysunku są pokazane: rozkład danych

użytkownika i danych redundancyjnych, a

także względne wymagania dotyczące

przechowywania na różnych poziomach.
Odniesiemy się do tego rysunku w dalszym

ciągu.

(a) RAID 0 (bez
redundancji)
(b) RAID 1 (zwierciadlany)

(c) RAID 2 (redundancja z wykorzystaniem
kodu Hamminga
(d) RAID 3 (parzystość z przeplataniem
bitów)

(e) RAID 4 (parzystość na poziomie bloków)
(f) RAID 5 (rozproszona parzystość na
poziomie bloków)

RAID – poziom 0

RAID 0 nie powinien być zaliczany do rodziny RAID, ponieważ

w celu poprawienia wydajności nie przewiduje on

redundancji. Istnieją jednak nieliczne zastosowania (należą

do nich niektóre superkomputery), w których wydajność i

pojemność są najważniejsze, a niski koszt jest ważniejszy od

zwiększonej niezawodności.
W przypadku RAID 0 dane użytkownika i dane systemowe są

rozproszone na wszystkich dyskach tablicy. Stanowi to

wyraźną korzyść w stosunku do dużego pojedynczego dysku:

jeśli dwa różne żądania wejścia-wyjścia dotyczą dwóch

różnych bloków danych, istnieje duże prawdopodobieństwo,

że potrzebne bloki znajdują się na różnych dyskach. Dzięki

temu oba zapotrzebowania mogą być przetwarzane

równolegle, co skraca oczekiwanie w kolejkach.

RAID – poziom 0

Jednak RAID 0, podobnie jak wszystkie poziomy
RAID, nie ogranicza się do prostego rozproszenia
danych w tablicy dysków: dane są układane w
postaci pasków (ang. striped) na dostępnych
dyskach. Można to lepiej wyjaśnić na podstawie
obserwacji rys. 2 slajdy dalej.
Wszystkie dane użytkownika i systemowe mogą być
postrzegane jako przechowywane na jednym dysku
logicznym. Dysk jest podzielony na paski; paski te
mogą być fizycznymi blokami, sektorami lub innymi
jednostkami.

RAID – poziom 0

Paski są odwzorowywane cyklicznie na kolejnych dyskach
tablicy.
W tablicy n-dyskowej pierwszych n logicznych pasków
przechowuje się fizycznie jako pierwszy pasek na każdym
z n dysków, następnych n pasków mieści się fizycznie w
postaci drugich pasków na każdym dysku itd.
Zaletą takiego rozkładu jest to, że jeśli pojedyncze
zapotrzebowanie wejścia-wyjścia dotyczy wielu logicznie
sąsiadujących pasków, to nawet n pasków dotyczących
tego

zapotrzebowania

może

być

obsługiwanych

równolegle, co znacznie redukuje czas transferu wejścia-
wyjścia.

Odwzorowanie danych dla

poziomu RAID 0

Wykorzystywanie RAID 0 do

zwiększania wydajności

transferu danych

Wydajność dowolnego poziomu RAID krytycznie zależy od rozkładu

zapotrzebowania systemu macierzystego oraz od rozmieszczenia danych.

Jest to najwyraźniej widoczne w przypadku RAID 0, w którym redundancja

nie zaburza analizy. Rozpatrzmy najpierw wykorzystywanie RAID 0 do

osiągania dużych szybkości przesyłania danych. W takich zastosowaniach

muszą być spełnione dwa wymagania.
Po pierwsze, wysoka wydajność transferu danych musi mieć miejsce na

całej drodze między pamięcią macierzystą a indywidualnymi napędami

dysków. Należy więc uwzględnić wewnętrzne magistrale sterownika,

magistrale

wejścia-wyjścia

systemu

macierzystego,

urządzenia

dopasowujące wejście-wyjście oraz magistrale pamięci macierzystej.
Drugim wymaganiem jest to, żeby żądania wejścia-wyjścia pochodzące z

aplikacji efektywnie kierowały tablicą dysków. Wymaganie to jest spełnione,

jeśli typowe żądanie dotyczy takiej ilości logicznie sąsiadujących danych,

która jest duża w porównaniu z rozmiarem paska. W takim przypadku,

pojedyncze żądanie wejścia-wyjścia wywołuje równoległe przesyłanie

danych z wielu dysków, zwiększając efektywną szybkość transferu w

porównaniu z pojedynczym dyskiem.

Wykorzystanie RAID 0 do

przyspieszenia obsługi żądania

wejścia-wyjścia

W

środowisku

transakcyjnym

użytkownik

jest

zwykle

bardziej

zainteresowany czasem odpowiedzi niż szybkością transferu. W przypadku

indywidualnego żądania wejścia-wyjścia dotyczącego małej ilości danych,

czas dostępu wejścia-wyjścia jest zdominowany przez ruch głowic

dyskowych (czas przeszukiwania) i ruch dysków (opóźnienie obrotowe).
W środowisku transakcyjnym mogą występować setki żądań wejścia-wyjścia

na sekundę. Tablica dysków może zapewnić szybkie odpowiedzi na żądanie

dostępu przez rozkładanie obciążenia wejścia-wyjścia na wiele dysków.

Efektywne równoważenie obciążenia jest możliwe tylko wtedy, gdy

dominują typowe, wielokrotne żądania wejścia-wyjścia. To z kolei sprawia,

że może istnieć wiele niezależnych aplikacji lub że pojedyncza aplikacja o

charakterze transakcyjnym może powodować wielokrotne, asynchroniczne

żądanie wejścia-wyjścia. Na wydajność ma również wpływ rozmiar paska.

Jeśli jest on stosunkowo duży, w wyniku czego pojedyncze żądanie wejścia-

wyjścia wywołuje tylko pojedynczy dostęp do dysku, to wiele oczekujących

żądań wejścia-wyjścia można realizować równolegle, co redukuje czas

oczekiwania w kolejce każdego zapotrzebowania.

RAID poziom 1

RAID 1 różni się od poziomów RAID od 2 do 5 sposobem osiągania
redundancji. W pozostałych schematach RAID jest wykorzystywana
pewna forma obliczeń parzystości w celu wprowadzenia
redundancji. Natomiast w przypadku RAID 1 redundancja jest
osiągana po prostu przez duplikowanie wszystkich danych.
Jak widać na rys., wykorzystywane jest paskowanie danych,
podobnie jak w RAID 0. Jednak w tym przypadku każdy pasek
logiczny jest odwzorowywany na dwóch oddzielnych dyskach
fizycznych, dzięki czemu każdy dysk w tablicy ma swój dysk
zwierciadlany zawierający te same dane.

Zalety RAID 1

Organizacja RAID 1 ma wiele pozytywnych aspektów:

Żądanie odczytu może być obsługiwane przez ten spośród dwóch

dysków zawierających potrzebne dane, który wymaga mniejszego

czasu przeszukiwania plus opóźnienie obrotowe.
Żądanie zapisu wymaga aktualizacji obu odpowiednich pasków,

jednak może to być wykonywane równolegle. Wobec tego wydajność

zapisu jest dyktowana przez wolniejszy z dwóch zapisów (tzn. ten,

który zajmuje dłuższy czas przeszukiwania plus opóźnienie obrotowe).
W przypadku RAID 1 nie występuje jednak „kara” związana z

zapisem. W RAID 2 do 5 są wykorzystywane bity parzystości. Jeśli

więc jest aktualizowany pojedynczy pasek, oprogramowanie

zarządzania tablicą musi obliczyć i zaktualizować bity parzystości

oprócz aktualizowania samego paska danych.
W razie awarii rozwiązanie jest proste. Gdy napęd ulega uszkodzeniu,

dane mogą być uzyskane z drugiego napędu.

Wady RAID 1

Główną wadą RAID 1 jest koszt; wymaga on 2-

krotnie

większej

przestrzeni

dyskowej

w

porównaniu z dyskiem logicznym, który obsługuje.
Z tego powodu wykorzystanie konfiguracji RAID 1

pozostaje

raczej

ograniczone

do

napędów

przechowujących

oprogramowanie

systemowe

oraz inne bardzo ważne pliki.
W tych przypadkach RAID 1 zapewnia rezerwowe

dane dostępne w czasie realnym, dzięki czemu w

razie uszkodzenia dysku wszystkie ważne dane są

natychmiast dostępne.

RAID może przyspieszyć

operacje I/O

W środowisku transakcyjnym RAID 1 umożliwia szybkie

uzyskiwanie odpowiedzi na żądania wejścia-wyjścia, jeśli

tylko główna część żądań dotyczy odczytu.
W takiej sytuacji wydajność RAID 1 może być niemal 2-krotnie

większa niż wydajność RAID 0.
Jeśli jednak istotna część żądań wejścia-wyjścia dotyczy

zapisu, to może nie występować znaczna poprawa wydajności

w stosunku do RAID 0.
RAID 1 może także mieć większą wydajność niż RAID 0 w

przypadku

zastosowań

wymagających

intensywnego

transferu danych przy znaczącym udziale odczytów. Wzrost

wydajności następuje, gdy możliwe jest rozdzielenie każdego

żądania odczytu w ten sposób, aby w operacji uczestniczyły

oba dyski.

RAID poziom 2

RAID 2 i 3 wykorzystują metodę dostępu równoległego. W przypadku

tablicy o dostępie równoległym wszystkie dyski uczestniczą w

realizacji każdego żądania wejścia-wyjścia. Zwykle poszczególne

napędy są synchronizowane tak, że w dowolnym momencie każda

głowica znajduje się w tej samej pozycji nad każdym dyskiem.
Podobnie jak w przypadku pozostałych schematów RAID,

wykorzystywane jest paskowanie danych. W RAID 2 i 3 paski są

bardzo małe, często równe jednemu bajtowi lub słowu.
W RAID 2 kod korekcji błędów jest obliczany na podstawie

odpowiednich bitów na każdym dysku danych, a bity kodu są

przechowywane

w

odpowiednich

pozycjach

bitowych

zlokalizowanych na wielu dyskach parzystości.
Zwykle jest wykorzystywany kod Hamminga (patrz wykład o pamięci

wewnętrznej), który umożliwia korygowanie błędów jednobitowych i

wykrywanie dwubitowych.

Chociaż RAID 2 wymaga mniejszej

liczby dysków niż RAID 1, nadal jest

raczej kosztowny.

Liczba dysków redundancyjnych jest proporcjonalna do

logarytmu liczby dysków danych. W przypadku pojedynczego

odczytu następuje jednoczesny dostęp do wszystkich dysków.
Potrzebne dane oraz towarzyszący im kod korekcji błędów są

dostarczane do sterownika tablicy. Jeśli wystąpił błąd

jednobitowy, sterownik może go rozpoznać i natychmiast

skorygować, dzięki czemu czas dostępu odczytu nie ulega

wydłużeniu. W przypadku pojedynczego zapisu musi nastąpić

dostęp do wszystkich dysków danych i dysków parzystości.
Poziom RAID 2 byłby właściwym wyborem tylko w środowisku,

w którym występuje wiele błędów dyskowych. Jeśli

indywidualne dyski i napędy dyskowe wyróżniają się dużą

niezawodnością, RAID 2 jest rozwiązaniem rozrzutnym i po

prostu nie jest wykorzystywany.

RAID poziom 3

RAID 3 jest zorganizowany podobnie do RAID 2. Różnica

polega na tym, że wymaga on tylko jednego dysku

redundancyjnego, niezależnie od wielkości matrycy dysków.
W RAID 3 wykorzystuje się dostęp równoległy, przy czym

dane są rozmieszczone w postaci małych pasków. Zamiast

kodu korekcyjnego jest obliczany bit parzystości dla zespołu

indywidualnych bitów znajdujących się w tej samej pozycji

na wszystkich dyskach danych.
W przypadku uszkodzenia napędu sięga się do napędu

parzystości, po czym następuje rekonstrukcja danych na

podstawie danych zawartych na pozostałych urządzeniach.

Gdy uszkodzony dysk jest wymieniony, zaginione dane mogą

być do niego wprowadzone, a przerwana operacja może być

podjęta na nowo.

Redundancja w RAID 3

Rekonstrukcja danych jest całkiem prosta. Rozważmy tablicę

złożoną z pięciu napędów, w której dyski X0 - X3 zawierają

dane, natomiast X4 jest dyskiem parzystości.
Parzystość i-tego bitu jest obliczana następująco:

X4(i) = X3(i)  X2(i)  X1(i)  X0(i)

Załóżmy, że został uszkodzony napęd X1. Jeśli dodamy X4(i)

 X1(i) do obu stron powyższego równania, to otrzymamy

X1(i) = X4(i)  X3(i)  X2(i)  X0(i)

Wobec tego zawartość dowolnego paska danych na

dowolnym dysku danych w tablicy może być zregenerowana

na podstawie zawartości odpowiednich pasków na

pozostałych dyskach tablicy. Zasada ta jest prawdziwa dla

poziomów RAID 3, 4 i 5.

Tryb zredukowany

W przypadku uszkodzenia dysku wszystkie dane są

nadal dostępne w tzw. trybie zredukowanym.
W tym trybie w przypadku odczytu zaginione dane są

regenerowane na bieżąco za pomocą obliczeń (jak

wyżej).
Gdy dane są zapisywane w zredukowanej tablicy RAID

3, musi być zachowywana zgodność parzystości w

celu umożliwienia późniejszej regeneracji.
Powrót do pełnego działania wymaga wymiany

uszkodzonego dysku i zregenerowania całej jego

zawartości na nowym dysku.

Wydajność RAID 3

Ponieważ dane są rozmieszczone w bardzo małych

paskach, RAID 3 może osiągać bardzo duże

szybkości transferu danych.
Jakiekolwiek żądanie wejścia-wyjścia spowoduje

równoległe przesyłanie danych ze wszystkich

dysków

danych.

Poprawa

wydajności

jest

szczególnie

widoczna

w

przypadku

dużych

transferów.
Należy jednak zauważyć, że w określonym

momencie może być realizowane tylko jedno

żądanie wejścia-wyjścia. Wobec tego w środowisku

transakcyjnym wydajność ulega pogorszeniu.

RAID poziom 4

W RAID 4 i 5 wykorzystuje się metodę dostępu niezależnego.
W tablicy o dostępie niezależnym każdy dysk działa niezależnie,

dzięki czemu oddzielne żądania wejścia-wyjścia mogą być

obsługiwane równolegle.
Z tego względu tablice o dostępie niezależnym są bardziej

odpowiednie w przypadku zastosowań wymagających szybkiej

odpowiedzi na żądania wejścia-wyjścia, są natomiast stosunkowo

mało przydatne w zastosowaniach wymagających dużych

szybkości transferu danych.
Podobnie jak w przypadku pozostałych poziomów RAID, w RAID 4

wykorzystuje się paskowanie danych. Paski są tu stosunkowo

duże. Pasek parzystości tworzony bit po bicie jest obliczany na

podstawie odpowiednich pasków na każdym dysku danych, a bity

parzystości są przechowywane w odpowiednim pasku na dysku

parzystości.

RAID poziom 4

W schemacie RAID 4 występuje pogorszenie
wydajności zapisu, jeśli realizowane jest
żądanie zapisu małej ilości danych. Za każdym
razem, gdy następuje zapis, oprogramowanie
zarządzania tablicą musi zaktualizować nie
tylko

dane

użytkownika,

ale

również

odpowiednie bity parzystości.
Rozważmy tablicę złożoną z pięciu napędów, w
której dyski X0-X3 zawierają dane, natomiast
X4 jest dyskiem parzystości.

RAID poziom 4

Załóżmy, że dokonywany jest zapis obejmujący tylko pasek na

dysku X1. Początkowo dla każdego i-tego bitu zachodzi

następująca zależność:

X4(i) = X3(i)  X2(i)  X1(i)  X0(i)

Jeśli potencjalnie zmienione bity oznaczymy primem, to po

aktualizacji zachodzi
X4'(i)

=X3(i)X2(i)X1'(i)X0(i)=

=X3(i)X2(i)X1'(i)X0(i)X1(i) X1(i)=X4(i)X1(i) X1'(i)
W celu obliczenia nowego bitu parzystości oprogramowanie

zarządzania tablicą musi odczytać stary pasek użytkownika i stary

pasek parzystości. Następnie musi ono zaktualizować te oba paski

za pomocą nowych danych oraz na nowo obliczonej parzystości.

Tak więc każdy zapis paska powoduje dwa odczyty i dwa zapisy.

RAID poziom 4

W przypadku żądania zapisu dużej ilości
danych, angażującym paski na wszystkich
dyskach, parzystość jest z łatwością obliczana
wyłącznie na podstawie nowych bitów danych.
Dzięki temu dysk parzystości może być
aktualizowany równolegle z dyskami danych i
nie występują dodatkowe odczyty ani zapisy.
Przy każdej operacji zapisu muszą być
aktualizowane dane na dysku parzystości, który
przez to może się stać wąskim gardłem.

RAID poziom 5

RAID 5 jest zorganizowany
podobnie jak RAID 4. Różnica
polega na tym, że w przypadku
RAID 5 paski parzystości są
rozproszone

na

wszystkich

dyskach.
Typowo

wykorzystuje

się

schemat cykliczny (ang. round-
robin), co widać na rys.
W przypadku tablicy n-dyskowej
pasek

parzystości

jest

umieszczany

na

różnych

dyskach

w

odniesieniu

do

pierwszych

n

pasków

danych, po czym schemat
ten jest powtarzany.
Rozproszenie

pasków

parzystości na wszystkich
napędach

zapobiega

ewentualnemu
występowaniu

wąskich

gardeł, o których była
mowa w odniesieniu do
RAID 4.

Pamięć optyczna

W roku 1983 wprowadzono jeden z najbardziej

udanych wyrobów konsumpcyjnych wszystkich czasów:

cyfrowy system akustyczny wykorzystujący płyty

kompaktowe (CD).
CD jest niewymazywalnym dyskiem, na którym można

zapisać ponad 60 minut informacji audio na jednej

stronie. Potężny sukces komercyjny płyty CD umożliwił

opracowanie taniej technologii optycznego dysku

pamięciowego, która stanowi zapowiedź rewolucji

obejmującej przechowywanie danych w komputerach.
W ciągu minionych kilku lat wprowadzono wiele

systemów dysków optycznych.

Dyski optyczne

CD

Dysk kompaktowy. Niewymazywalny dysk do przechowywania

informacji

audio

w

postaci

cyfrowej.

W

systemie

znormalizowanym są używane dyski o średnicy12 cm, przy

czym czas ciągłego odtwarzania przekracza 60 min.

CD-ROM

Pamięć stała na dysku kompaktowym. Niewymazywalny dysk

służący do przechowywania danych komputerowych. W

systemie znormalizowanym są używane dyski o średnicy 12

cm.

CD-I

Norma określająca sposoby umieszczania informacji audio,

wideo,

graficznych

i

tekstowych

oraz

programów

komputerowych na CD-ROM.

Dyski optyczne

DVI

Cyfrowy dysk wideo. Technologia tworzenia cyfrowej, zagęszczonej

reprezentacji

informacji

wideo.

Reprezentacja

ta

może

być

przechowywana na CD lub na innym dysku. W aktualnych systemach są

używane CD, na których można zapisać około 20 minut informacji wideo.

WORM

Jednokrotny zapis, wielokrotny odczyt. Dysk, na którym zapis jest

łatwiejszy niż na CD-ROM, co umożliwia handlową dostępność

unikalnych dysków w jednym egzemplarzu. Podobnie jak w przypadku

CD-ROM, po wykonaniu operacji zapisu dysk może być tylko

odczytywany. Najpopularniejszy rozmiar to 5,25 cala, pojemność od 200

do 800 MB danych.

Wymazywalny dysk optyczny

Dysk optyczny, który może być z łatwością wymazywany i zapisywany.

Używane są zarówno dyski o średnicy 3,25 cala, jak i 5,25 cala. Typowa

pojemność to 650 MB

Dyski optyczne

DVD

Rodzajem pamięci optycznej, który zyskuje
znaczną popularność, jest płyta DVD (początkowo
Digital Video Disk dziś Digital Versatile Disk).
Historia się powtórzyła; płyta zaprojektowana
głównie do rejestracji filmów stała się bardziej
uniwersalnym nośnikiem danych cyfrowych o
pojemności 4,7-17 GB. Pojawiły się również
zapisywalne i wymazywalne wersje nośnika
(DVD+R, DVD-R, DVD+RW, DVD-RW, DVD-RAM)

CD-ROM

Zarówno akustyczne płyty CD, jak i płyty CD-ROM (ang.

compact disk read-only memory - pamięć stała na

dyskach

kompaktowych)

wykorzystują

podobną

technologię. Główną różnicę stanowi to, że odtwarzacze

CD-ROM

mają

podzespoły

korekcyjne

w

celu

poprawnego transferu danych z dysku do komputera.
Oba typy dysków są produkowane w ten sam sposób.

Dysk jest wykonywany z żywicy, np. poliwęglanowej, i

pokrywany warstwą dobrze odbijającą światło, zwykle

aluminiową.
Informacja zarejestrowana cyfrowo (albo muzyka, albo

dane komputerowe) jest nanoszona w postaci

mikroskopijnych zagłębień na powierzchnię odbijającą.

CD-ROM

Po raz pierwszy wykonuje się to za pomocą dobrze

zogniskowanego światła lasera o dużej mocy, dzięki czemu

powstaje dysk wzorcowy. Dysk ten służy do wykonywania

formy, która służy do tłoczenia kopii. Powierzchnia z

naniesioną informacją jest zabezpieczana przed kurzem i

zarysowaniem przez pokrycie przezroczystym lakierem.
Informacja jest odczytywana z płyty CD lub z CD-ROM za

pomocą lasera małej mocy wbudowanego w odtwarzacz

płyt lub napęd CD-ROM. Laser świeci przez przezroczyste

pokrycie, a dysk jest wprawiany w ruch obrotowy przez

silnik. Natężenie odbitego światła zmienia się, gdy

napotyka ono wgłębienie. Zmiana ta jest wykrywana przez

fotoczujnik i zamieniana na sygnał cyfrowy.

CAV

Wgłębienie położone bliżej środka obracającego się

dysku porusza się względem ustalonego punktu (np.

wiązki laserowej) wolniej niż wgłębienie na obrzeżu

płyty, trzeba więc znaleźć sposób kompensowania zmian

szybkości, żeby laser mógł odczytywać dane z tą samą

szybkością.
Można to osiągnąć - podobnie jak w przypadku dysków

magnetycznych - przez zwiększanie odległości między

bitami informacji zapisanymi w segmentach dysku.

Informacje mogą więc być odczytywane z tą samą

szybkością przy dysku obracającym się ze stałą

prędkością kątową (ang. constant angular velocity -

CAV).

CAV

Na rysunku (następny slajd) jest pokazany układ dysku

wykorzystującego CAV.
Dysk jest podzielony na pewną liczbę sektorów oraz na

szereg koncentrycznych ścieżek. Zaletą stosowania stałej

prędkości kątowej jest to, że indywidualne bloki danych mogą

być bezpośrednio adresowane za pomocą ścieżki i sektora.
Aby przesunąć głowicę z jej obecnego położenia pod

określony adres, wymagany jest tylko mały ruch głowicy do

określonej ścieżki oraz krótkie oczekiwanie, aż odpowiedni

sektor znajdzie się pod głowicą.
Wadą napędów CAV jest to, że ilość danych, które mogą być

przechowywane na długiej, zewnętrznej ścieżce jest taka

sama, jak na krótkiej ścieżce wewnętrznej.

Mapa powierzchni dysku

obracającego się ze stałą

prędkością kątową

CLV

Ponieważ lokowanie mniejszej ilości informacji na brzegu

dysku powoduje marnowanie powierzchni, metoda CAV nie

znalazła zastosowania w napędach CD i CD-ROM.
Zamiast tego informacja jest umieszczana na dysku

równomiernie w segmentach o tych samych rozmiarach,

które są skanowane z tą samą szybkością w wyniku

obracania dysku ze zmienną prędkością kątową.
Wgłębienia są więc odczytywane przez laser ze stałą

prędkością liniową (ang. constant linear velocity - CLV).

Dysk obraca się wolniej w przypadku dostępu do danych na

obrzeżu niż w przypadku sięgania w okolice środka dysku.
Tak więc pojemność ścieżki i opóźnienie obrotowe

wzrastają, gdy ścieżka znajduje się blisko brzegu dysku.

Mapa powierzchni dysku

obracającego się ze stałą

prędkością liniową

Na rysunku jest pokazany rozkład

danych na płytach CD i CD-ROM. Jak

już wspomnieliśmy, dane są ułożone

w ciągu wzdłuż spiralnej ścieżki. W

przypadku wykorzystywania napędu

CLV dostęp swobodny jest trudniejszy.

Lokalizowanie określonego adresu

wymaga

wstępnego

przesunięcia

głowicy,

dostosowania

prędkości

obrotowej, odczytania adresu, a

następnie dokonania nieznacznych

korekcji w celu znalezienia i uzyskania

dostępu do potrzebnego sektora.

Parametry płyt CD-ROM

Produkowano płyty CD-ROM o różnych gęstościach.

Zwykle odstęp między ścieżkami wynosi 1,6 μm

(1,610

-6

m).

Zapisywalna szerokość płyty CD-ROM wzdłuż

promienia wynosi 32,55 mm, a więc całkowita liczba

możliwych ścieżek jest równa 32 550 μm podzielone

przez odstęp ścieżek, co daje 20 344 ścieżek.
W rzeczywistości mamy do czynienia z pojedynczą

ścieżką spiralną i możemy obliczyć jej długość,

mnożąc średni obwód przez liczbę zwojów spirali;

daje to około 5,27 km.

Parametry płyt CD-ROM

Stała prędkość liniowa napędu CD-ROM
wynosi 1,2 m/s, co daje czas zapisu całej
ścieżki 4 391 s lub 73,2 min, co jest zbliżone
do standardowego maksymalnego czasu
odtwarzania akustycznej płyty kompaktowej.
Ponieważ

dane

standardowo

są

odczytywane z dysku z szybkością 176,4
kB/s (1), pojemność płyty CD-ROM wynosi

774,57 MB.

Dyski magneto-optyczne

W systemie tym energia wiązki laserowej jest stosowana w

połączeniu z polem magnetycznym do zapisywania i

wymazywania informacji, co jest wykonywane przez

odwracanie biegunów magnetycznych w małej powierzchni

dysku pokrytego materiałem magnetycznym.
Wiązka laserowa nagrzewa określoną plamkę na dysku, a pole

magnetyczne jest w stanie zmienić orientację magnetyczną

tej plamki w czasie, gdy jej temperatura jest zwiększona.

Ponieważ proces polaryzacji nie powoduje trwałej zmiany w

dysku, może on być powtarzany wielokrotnie.
W przypadku odczytu kierunek namagnesowania może być

wykryty przez spolaryzowane światło lasera. Spolaryzowane

światło odbite od określonej plamki zmienia swój kąt

polaryzacji zależnie od orientacji pola magnetycznego.

Zalety dysków magneto-

optycznych

Stosunkowo

duża

pojemność.

Na

dysku

optycznym o średnicy 5,25 cala można
przechowywać około 650 MB danych.
Możliwość przenoszenia. Dysk optyczny może
być wyjmowany z napędu.
Niezawodność.

Tolerancje

wymagane

w

odniesieniu do dysków optycznych są znacznie
większe

niż

w

odniesieniu

do

dysków

magnetycznych o dużej pojemności. Dzięki
temu są one bardziej niezawodne i trwałe.

Taśma magnetyczna

W systemach taśmowych wykorzystuje się te same

metody odczytu i zapisu, co w systemach dyskowych.

Nośnikiem jest elastyczna taśma mylarowa pokryta

tlenkiem magnetycznym.
Taśma i napęd taśmy są podobne do wykorzystywanych

w domowych systemach magnetofonowych.
Nośnikowi taśmowemu nadaje się strukturę złożoną z

niewielkiej liczby równoległych ścieżek. Wcześniejsze

systemy taśmowe wykorzystywały zwykle 9 ścieżek.

Umożliwiało to jednoczesne zapisywanie jednego bajta

danych; na dziewiątej ścieżce zapisywano dodatkowy bit

parzystości. Nowsze systemy taśmowe wykorzystują 18

lub 36 ścieżek.

Format 9-ścieżkowej taśmy

magnetycznej

Podobnie jak w przypadku dysku, dane są odczytywane i

zapisywane na taśmie w postaci kolejnych bloków

zwanych rekordami fizycznymi.
Bloki na taśmie są oddzielane przerwami określanymi jako

przerwy międzyrekordowe. Na rysunku jest pokazana

taka struktura taśmy 9-ścieżkowej.
Jak w przypadku dysku, taśma jest formatowana w celu

ułatwienia lokalizacji rekordów fizycznych.

Dostęp do danych na

taśmie jest sekwencyjny

Napęd taśmowy jest urządzeniem o dostępie sekwencyjnym. Jeśli

głowica znajduje się przy rekordzie 1, to w celu odczytania rekordu N

konieczne jest kolejne odczytanie rekordów fizycznych od 1 do N - 1.

Jeśli głowica znajduje się za poszukiwanym rekordem, konieczne jest

przewinięcie pewnej długości taśmy i ponowne rozpoczęcie odczytu.

W przeciwieństwie do dysku taśma znajduje się w ruchu tylko

podczas operacji odczytu lub zapisu.
W odróżnieniu od taśmy napęd dyskowy jest określany jako

urządzenie o dostępie bezpośrednim. Napęd dyskowy nie musi

odczytywać sekwencyjnie wszystkich sektorów na dysku w celu

dotarcia do poszukiwanego sektora. Musi tylko czekać na właściwy

sektor na jednej ścieżce i może sukcesywnie sięgać do dowolnej

ścieżki.
Pamięć taśmowa była pierwszym rodzajem pamięci pomocniczej.

Wciąż jest szeroko używana jako najtańszy i najpowolniejszy element

hierarchii pamięci.