Введение FAT32 позволило преодолеть этот предел, однако вскоре снова "вылезла" проблема BIOS - на полный адрес сектора отводилось 24 разряда, и адресация более 8 Гбайт (точнее 7.85 Гбайт) дисковой памяти при 512-байтных секторах оказалась невозможной. Пришлось ввести новые функции BIOS для большинства дисковых операций. Теперь лимит составляет 64 разряда, что соответствует 8 млрд. Тбайт, так что пока есть некоторый запас по времени. Кроме того оговорено, что нумерации подлежат блоки, а не сектора. Пока 1 блок равен 1 сектору, но как только объем накопителей приблизится к указанному лимиту, появится некоторый резерв за счет увеличения размера блока.

Кроме того, так как с введением зонной записи привязка к физической структуре накопителя, выраженная в цилиндрах, секторах и головках, оказалась неактуальной, было решено отказаться от трехмерной системы координат и перейти к одномерной - по абсолютному номеру сектора.

Теперь программных ограничений на рост объемов накопителей в ближайшее время не предвидится (но некоторые программы из-за содержащихся в них ошибок не могут работать с дисками объемом выше 32 или 64 Мбайт), хотя остаются определенные ограничения, связанные с аппаратурой, т.е. с физической организацией интерфейса IDE.

Взаимодействие между пользователем и дисковым накопителем

Рядовому пользователю было бы чрезвычайно обременительно следить за тем, какие сектора на его жестком диске уже заняты, и куда следует записывать новые данные. Чтобы облегчить ему эту работу служит операционная система (ОС), вводящая понятие файла и позволяющая работать с содержимым файла побайтно. Для этого ОС резервирует некоторое место на диске для своих нужд. Вот как выглядит дописывание нескольких байт к концу существующего файла в корневом каталоге с точки зрения ОС.

• 1. считать оглавление, содержащее нужный файл и поместить его в буфер №1,
• 2. считать таблицу FAT и поместить ее в буфер №2,
• 3. в соответствии с FAT считать последний (неполный) сектор файла в буфер №3,
• 4. дописать часть требуемых байтов в буфер №3 до его заполнения,
• 5. вписать буфер №3 на его прежнее место на диске,
• 6. используя FAT, найти на диске свободный фрагмент,
• 7. вписать оставшиеся байты в буфер №4,
• 8. вписать содержимое буфера №4 в найденный свободный фрагмент диска,
• 9. внести изменения в FAT (в буфер №2) и вписать его на прежнее место на диске,
• 10. внести изменения длины файла в оглавление (буфер №1) и вписать его в прежнее место на диск.

Это только самый простейший случай. Если файловая система предусматривает вложенные оглавления, защиту информации, разграничение доступа, откат и восстановление после сбоев, то список необходимых действий может увеличиться в несколько раз.

Мы уже говорили о том, что данные в накопителе адресуются через номер логического сектора или через тройку цилиндр-головка-сектор. Именно таким образом и обращается ОС к BIOS. Последний же, в свою очередь, должен сообщить ОС объем накопителя и, при необходимости, его геометрические характеристики, а также перевести запрос на операцию с определенным сектором в последовательность команд того или иного интерфейса. Для ОС тип интерфейса, ST512/412, ESDI. IDE, SCSI, USB, IEEE1394 или режим работы, PIO, UDMA неинтересны. Ее интересуют только сектора и точка!

Проблемы кластеризации

Как мы видели, для работы с файлами постоянно требуется определенная информация по размещению их на диске. В приведенном выше случае это FAT. Для простоты ограничимся рассмотрением именно этого случая. Из 7 дисковых операций 3 относятся к FAT. Учитывая, что файловые операции, выполняемые с перемещением головки, происходят существенно медленнее операций без перемещения, получается, что хранение FAT в оперативной памяти увеличивает производительность файловой системы более чем вдвое. Но есть и явная отрицательная черта - если перед выключением компьютера не привести в соответствие копию FAT, хранящуюся на диске, с копией в оперативной памяти, неизбежна потеря информации. Поэтому выключение компьютера кнопкой или тумблером на передней панели, как это практиковалось в DOS, уже становится неприемлемым.

При этом, если буфера для данных файла или каталога могли быть небольшими, в один сектор, то FAT иногда необходимо обрабатывать целиком, например, при поиске свободного фрагмента.

В FAT16 максимальное количество фрагментов, предназначенных для размещения файлов, составляет около 65 тысяч, а занимаемое таблицами место - 128 Кбайт (64К 2-байтных слов). При распределении мест секторами максимальный объем диска составит, таким образом, 32 Мбайта (кое-кто еще помнит, что реально было и такое ограничение на объем жесткого диска).

Для увеличения доступного ОС дискового пространства сектора пришлось объединять в кластеры, содержащие несколько секторов. Кроме того, очевидно, что при увеличении вдвое размера кластера вдвое же уменьшается размер FAT, а следовательно, как расход оперативной памяти, так и время поиска свободного места. Но увеличение размера кластеров ведет к неэффективному расходу дискового пространства. Мне когда-то попадалась аналогия распределения места на диске с необходимостью расплачиваться за любые товары только стодолларовыми купюрами: купил коробок спичек - и нет $100, купил батон хлеба - еще сотню долой. Действительно, при записи даже одного байта расходуется целиком кластер. Например, при 32-Кбайтных кластерах (диск объемом 2 Гбайт) 1000 однобайтных файлов суммарной длиной менее Кбайта займут на диске место равное 32 Мбайтам.

Введение FAT32 отчасти устранило эту проблему, теперь для размещения аналогичного объема информации потребуется только 4 Мбайта. Но ничего бесплатного не бывает. Размер одного элемента FAT увеличился вдвое, а количество элементов - в 8 раз, так что теперь объем таблиц для данного случая составит уже 2 Мбайта. Конечно, по нынешним меркам это немного, но если учесть, что объем накопителей может превышать сотню Гбайт, то окажется, что значительная доля оперативной памяти будет использована не для размещения данных пользователя, а для внутренних нужд ОС. Вспомним и о том, что для поиска свободного фрагмента на диске может потребоваться просмотреть значительную часть FAT, так что в попытках увеличить скорость работы дисковой системы мы одновременно увеличиваем нагрузку на центральный процессор и оперативную память, что ведет к снижению итоговой производительности.

В общем, прямого и простого пути к увеличению производительности не существует. Везде приходится искать компромиссы.

Скоростные характеристики жестких дисков

Помимо объема, как правило, представляют интерес и скоростные характеристики накопителей. Из них можно выделить две основных: среднее время доступа и скорость линейной передачи данных.

Время доступа (access time) - время с момента запроса небольшой порции данных (обращения к прерыванию BIOS) до момента их получения (возвращения из прерывания). Временем выполнения программы здесь можно пренебречь, в этом случае время доступа состоит из времени позиционирования (seek time), то есть нахождения нужной дорожки и среднего времени ожидания данных (latent time), т.е. времени на поворот диска, чтобы нужный сектор оказался под головкой чтения. Очевидно, что среднее время ожидания равно половине периода обращения диска: 5.56 мс при частоте вращения 5400 об/мин и 4.17 мс - при 7200 об/мин. Время позиционирования же складывается из времени необходимого на перемещение головки и времени для успокоения ее колебаний после перемещения. Так как требования к допустимой амплитуде колебаний при чтении и при записи отличаются, могут отличаться также средние времена доступа и позиционирования. К сожалению, не существует единой методики измерения этой величины, поэтому каждая фирма-производитель применяет собственную методику, выставляющую ее продукцию в наилучшем свете. Кроме того, для обозначения по сути одинаковых величин разные фирмы зачастую используют различные термины. Чаще в спецификациях приводится время позиционирования, т.к. оно меньше.

Со скоростью линейной передачи данных тоже не все обстоит гладко. Во-первых, существует скорость передачи данных из кэш-памяти контроллера - величина, поддающаяся измерению и, как правило, наибольшая из всех скоростей обмена. Скорость обмена данными с пластинами обычно меньше. Кроме того, она зависит от номера дорожки, к концу диска эта скорость может снижаться в 2-3 раза по сравнению с тем, что наблюдается на первых дорожках. В спецификациях зачастую приводится максимальная мгновенная скорость чтения с пластин в бит/с. Тут можно только принимать или не принимать на веру слова изготовителя, т.к. измерить ее на накопителе, оснащенном кэш-памятью, нельзя. Поддается измерению максимальная установившаяся скорость обмена. "Максимальная" в данном случае означает, что она измеряется в той части диска, которая имеет наибольшее количество секторов на дорожку. Она определяется как отношение объема переданных данных ко времени. Естественно, во время включается как то, в течение которого головка летит над данными, так и то, в течение которого головка находится над зонами служебной информации, а также время перехода головки с дорожки на дорожку. Как правило, либо указывают максимальную величину этой скорости, либо строят график зависимости этой скорости от номера сектора (один такой график приведен в разделе "Геометрия жесткого диска", см. рис.3).

Можно измерить скорость передачи данных при чтении, записи и верификации. В правильно сконструированном накопителе все эти три величины должны совпадать. Для оптимальности процесса обмена различные дорожки должны начинаться не с одного и того же места, а со сдвигом равным отношению времени перехода на 1 дорожку к периоду вращения. При этом первый сектор следующей дорожки должен оказываться под головкой как раз к моменту окончания позиционирования. Конечно, время перехода может быть различным для чтения и записи, но если вдруг переходной процесс не успеет закончиться к моменту прихода нужного сектора, то это приведет к падению скорости почти вдвое (при одной рабочей поверхности) из-за необходимости ожидать целый оборот. Думаю, производители такого не допускают, поэтому следует ожидать совпадения скорости чтения и записи. Что же касается скорости верификации, то ее целесообразно измерять, когда скорость обмена данными с пластинами превосходит скорость передачи данных через интерфейс, что может наблюдаться, например, при выборе неадекватного режима работы интерфейса. Верификация - это процесс чтения во внутреннюю память накопителя без передачи данных наружу.

В качестве примера приведем профиль скоростей чтения, записи и верификации для диска с максимальной установившейся скоростью передачи данных, превышающей скорость передачи интерфейса (на самом деле, конечно, дело не в интерфейсе самого диска - UDMA100, а в интерфейсе IDE-контроллера на системной плате, к которой подключен накопитель - UDMA33).

рис.5

Для современных дисков время доступа составляет порядка 15 мс, а устоявшаяся скорость линейной передачи данных - порядка 30 Мбайт/с. Нетрудно заметить, что за время поиска можно было бы считать или записать почти полмегабайта информации. Однако, реально информация читается чаще всего либо покластерно, т.е. по 4 Кбайта, либо максимальными фрагментами, поддерживаемыми BIOS - 64 Кбайта. Кроме того, объем однократно считанного фрагмента информации никогда не превышает размера файла (точнее, суммарной длины занимаемых им кластеров), а средний размер файла, как правило, не превосходит нескольких килобайт. Поэтому определяющий вклад в производительность дисковой системы вносит время доступа, а линейная скорость передачи лишь очень незначительно влияет на время выполнения файловых операций. Даже при записи или чтении одного длинного файла в однозадачной системе реальная скорость обмена оказывается существенно, иногда в разы, ниже установившейся скорости накопителя.

рис.6

Время доступа определяется скоростью вращения диска, конструкцией механизма позиционирования головки, а также линейными размерами, на которые необходимо совершить перемещение, т. е. диаметром пластин. Установившаяся скорость обмена в основном зависит от плотности записи и скорости вращения. Вряд ли следует ожидать существенного увеличения скорости вращения пластин, поэтому в перспективе вряд ли можно надеяться на заметный прирост эксплуатационной производительности жестких дисков.

Уменьшение времени доступа возможно в основном за счет уменьшения диаметра пластин, что делает возможным как увеличение скорости вращения, так и уменьшения времени позиционирования. Однако этот подход ведет к радикальному уменьшению емкости накопителя. И хотя первых жесткий диск имел пластины диаметром 24 дюйма, первый, применяемый в персональном компьютере - около 5 (формфактор корпуса 5.25"), а современные - около 3 (а скоростные накопители SCSI при формфакторе корпуса 3.5" имеют уменьшенные пластины), вряд ли в ближайшее время можно ожидать повального перехода на 2.5-дюймовые накопители. Скорее уж революцию во времени доступа следует связывать с переходом на твердотельные накопители.

Наиболее эффективным средством повышения производительности дисковой системы является кэширование, т.е. хранение в оперативной памяти наиболее часто используемых данных с жесткого диска. Ведь для доступа к определенному байту, расположенному на диске, требуется около 15 мс, а к расположенному в оперативной памяти - порядка 0.1 мкс. Даже однокластерное (буфер 4 Кбайта) кэширование при построчном чтении текстового файла с длиной строки 80 символов приведет к уменьшению времени считывания в 50 раз. Увеличение объема буфера еще более ускорит этот процесс, поэтому, во-первых, сами накопители содержат буфер объемом, как правило, от 2 до 8 Мбайт, а во-вторых, кэширование производится на уровне ОС.

Интерфейс

В настоящее время для жестких дисков (не считая части накопителей для ноутбуков, носимой аппаратуры, а также внешних моделей) используются два параллельных интерфейса, разработанных в 80-х годах прошлого века: IDE (ATA) и SCSI.

IDE более демократичен. Основная нагрузка в нем ложится на контроллер устройства. Первые его модификации работали в режиме программируемого ввода/вывода (PIO) и были ограничены скоростями от 3 до 16 Мбайт/с. Впрочем, внешние контроллеры часто еще сильнее "тормозились" шиной ISA. Реально даже на шине PCI от такого контроллер не удавалось добиться скорости обмена выше 8-9 Мбайт/с. Тогда был использован поддерживаемый PCI механизм прямого обмена с памятью (UDMA), в результате чего максимальная скорость выросла до 33, 66 или 100 Мбайт/с в зависимости от разновидности интерфейса (а компания Maxtor выпускает даже диски UDMA133).

SCSI обладает как более широкими возможностями, так и более высокой ценой. К этому интерфейсу можно подключать не только дисковые накопители, но также ленточные накопители, сканеры, принтеры и т. д. Кроме того, он позволяет одновременно работать нескольким устройствам, что снижает нагрузку на центральный процессор. Диапазон скоростей, поддерживаемых SCSI простирается от 5 до 320 Мбайт/с. В перспективе планируется увеличение скорости обмена до 640 Мбайт/с.

Последнее время IDE существенно потеснил SCSI. Особенно после введения режима UDMA, в результате чего сильно снизилась нагрузка на процессор, и исчезло основное преимущество SCSI перед IDE. Одновременно появление USB стало вытеснить SCSI из низкоскоростных устройств, таких как сканеры и принтеры.

Дальнейшее увеличение скорости при использовании параллельных интерфейсов уже упирается в очень серьезные проблемы по синхронизации линий передачи данных, поэтому, как представляется, будущее за последовательными интерфейсами.

В настоящее время активно идет разработка последовательного варианта интерфейса IDE - Serial ATA. К контроллеру каждый накопитель будет подключаться своим 7-жильным кабелем. Первый намеченный рубеж скорости - 150 Мбайт/с, на очереди - 300 Мбайт/с. Эти интерфейсы, несмотря на существенное аппаратное различие будут программно совместимы с существующим сейчас параллельным IDE.

Определенные разработки намечены и для совершенствования интерфейса SCSI. Здесь также намечен переход на последовательный интерфейс, а также на существенное снижение стоимости вследствие сильной конкуренции со стороны SerialATA.

Для накопителей на жестких дисках помимо рассмотренных могут применяться интерфейсы Compact Flash Type II - для 1-дюймового накопителя IBM MicroDrive, USB, IEEE1394 (FireWire) - для внешних устройств и Fibre Channel - для наиболее производительных серверов.

Автор: Сергей Андрианов
Источник: www.morepc.ru