7.4.2.2Принцип работы

Когда программа вводится в компь­ютер, операционная система создает «виртуальное пространство памяти», кото­рое представляет собой модель объема памяти и ее адресов, находящихся в распоряжении программы. Затем часть «истинной», физической памяти компью­тера отводится для поддержки этой виртуальной памяти.

Программа начинает работу с отображения некоторой части большого про­странства виртуальной памяти в определенную часть меньшей по объему физи­ческой памяти компьютера. Пока программа работает лишь с частью своей виртуальной памяти, все идет хорошо. Что же происхо­дит дальше, когда программе пытается использовать ту большую часть вирту­альной памяти, которой не было отведено место в реальной памяти, меньшей по объему? В этом случае таблица управления памятью микропроцессора обна­руживает, что программа пытается использовать несуществующий в данный мо­мент адрес. Микропроцессор дает команду «отсутствие страницы».

Получив эту команду, говорящую о том, что программа пытается использо­вать виртуальный адрес, не внесенный в истинную память, специальная служеб­ная программа виртуальной памяти начинает работать. Она временно приоста­навливает действие программы, чтобы справиться со сложившейся кризисной ситуацией. Служебная программа выбирает некоторую часть виртуальной памя­ти, которая а данный момент находится в физической памяти, и временно запи­сывает ее содержимое на диск: это называется выгрузкой, или откачкой. Осво­божденная часть реальной памяти начинает действовать как необходимая часть виртуальной памяти. Когда же возникает необходимость в выгруженной части памяти, она подкачивается назад, т.е. переписывается с диска.

Рис. 7.1. Виртуальная память.

В зависимости от хода выполнения программы операции по поддержке вир­туальной памяти могут проходить очень гладко или требовать значительного времени для подкачки и откачки. В этом случае происходит перегрузка, что зна­чительно снижает производительность компьютера.

Операции с виртуальной памятью могут требовать чувствительной баланси­ровки или настройки системы.

8Устройства хранения информации

8.1Иерархическая структура памяти

Иерархическая структура памяти является традиционным решением проблемы хранения большого количества данных (см. рис. 8.1).

Рис. 8.1. Иерархическая структура памяти.

По мере продвижения по структуре сверху вниз возрастают 3 параметра:

1. Увеличивается время доступа

2. Увеличивается объем памяти.

3. Увеличивается стоимость.

8.2Магнитные диски

8.2.1Винчестер

8.2.1.1Физические принципы хранения информации

Жёсткий диск представляет собой сложное устройство для хранения данных, в основу которого положен принцип магнитной записи электрических сигналов.

Винчестеры используют одну или несколько магнитных пластин, на которые нанесены концентрические дорожки.

Дорожкой называется круговая последовательность битов, записанных на диск за его полный оборот. Каждая дорожка делится на секторы (s) фиксированной дли­ны. Перед данными распола­гается преамбула (preamble), которая позволяет головке синхронизироваться пе­ред чтением или записью. После данных идет код с исправлением ошибок. Между соседними секторами находится межсектор­ный интервал. Многие производители указывают размер неформатированного диска (как будто каждая дорожка содержит только данные). Емкость фор­матированного диска обычно на 5% меньше емкости неформатированного диска.

Совокупность дорожек, расположенных на одном расстоянии от центра, называется цилиндром (c).

Головка (h) определяет рабочую поверхность.

Таким образом, приходим к схеме адресации CHS (цилиндр-головка-сектор). В первых винчестеры только она и использовалась. Однако из-за жестких ограничений на объем со временем ввели дополнительную схему адресации LBA (линейная адресации: все сектора нумеруются по-порядку). За счет изменения разрядности адреса в новой схеме, удалось снять ограничения на объем.

Магнитное покрытие диска имеет доменную структуру, т. е. состоит из множества намагни­ченных мельчайших частиц. Магнитный домен (от лат. dominium — владение) — это микроскопическая, однородно намагниченная область в ферромагнитных образцах, отделенная от соседних об­ластей тонкими переходными слоями (доменными границами). Под воздействием внешнего магнитного поля собственные маг­нитные поля доменов ориентируются в соответствии с направле­нием магнитных силовых линий. После прекращения воздействия внешнего поля на поверхности домена образуются зоны остаточ­ной намагниченности. Благодаря этому свойству на магнитном носителе сохраняется информация о действовавшем магнитном поле. При записи информации внешнее магнитное поле создается с помощью магнитной головки. В процессе считывания информа­ции зоны остаточной намагниченности, оказавшись напротив магнитной головки, наводят в ней при считывании электродви­жущую силу (ЭДС). Схема записи и чтения с магнитного диска дана на рис. 3.1. Изменение направления ЭДС в течение некоторо­го промежутка времени отождествляется с двоичной единицей, а отсутствие этого изменения — с нулем. Указанный промежуток времени называется битовым элементом.

Поверхность магнитного носителя рассматривается как последо­вательность точечных позиций, каждая из которых ассоциируется с битом информации. Поскольку расположение этих позиций оп­ределяется неточно, для записи требуются заранее нанесенные метки, которые помогают находить необходимые позиции записи. Для нанесения таких синхронизирующих меток должно быть про­изведено разбиение диска на дорожки и секторы — форматиро­вание.

Магнитные домены или битовые ячейки представляют собой чередующиеся участки с различным направлением намагниченности. Битовые ячейки формируют секторы, которые впоследствии определяют минимальную логическую единицу хранения данных – кластер. Размер кластера меняется в зависимости от использования файловой системы – NTFS или FAT32. В конечном итоге кластеры образуют те самые пресловутые мегабайты, которые определяют ёмкость жёсткого диска.

Ёмкость жёсткого диска напрямую связана с плотностью и количеством пластин. Всё достаточно просто: чем больше плотность и количество пластин – тем больше объём жёсткого диска. Однако повышать ёмкость исключительно за счёт увеличения количества пластин бессмысленно. Во-первых, корпус обыкновенного 3,5-дюймового винчестера способен уместить максимум 5 пластин и 10 головок. Во-вторых, большое количество пластин и головок увеличивает энергопотребление и тепловыделение, что повышает риск аппаратного сбоя из-за большого числа подвижных элементов.

Таким образом, для развития жёстких дисков производителю очень важно работать над увеличением плотности применяемых пластин. Для увеличения линейной плотности записи информации необходимо максимально уменьшать длину битовых ячеек и делать переходы между ними максимально резкими. На первый взгляд в теории кажется, что всё достаточно просто: уменьшай себе длину битовых ячеек и клепай пластины. Однако на практике всё немного иначе, и с уменьшением длины у битовой ячейки снижается устойчивость к внешним магнитным полям, в результате чего возникает так называемый супермагнитизм. Длина битовой ячейки уменьшается до критической отметки, и размагничивающиеся поля становятся настолько большими, что ячейка саморазмагничивается и исчезает. Говоря простым языком, происходит самопроизвольное стирание данных.

Основные игроки рынка винчестеров смогли решить эту проблему. Благодаря технологии перпендикулярной магнитной записи PMR (Perpendicular Magnetic Recording) производителям жёстких дисков удалось получить плотность в 200 Гбайт для одной пластины. Перпендикулярное расположение магнитных доменов позволило достигнуть высокой плотности без проявления суперпарамагнитного эффекта.