Лекция Иерархия памяти План: Иерархическая структура памяти. Магнитные диски Иерархическая структура памяти

---

5- Лекция 
Иерархия памяти 
План: 
1. Иерархическая структура памяти.
2. Магнитные диски 
1. Иерархическая структура памяти. 
Иерархическая структура памяти — традиционное решение проблемы 
хранения больших объемов данных. На вершине иерархии находятся 
регистры процессора . Доступ к реестрам можно получить очень быстро. 
Затем идет кэш-память, от 32 кб до нескольких мегабайт. После этого идет 
основная память, размер которой может уместиться от 16 МБ до десятков 
гигабайт. 
Затем идут магнитные диски и, наконец, магнитная лента и оптические 
диски, которые используются для хранения архивов. 
Три параметра изменяются при перемещении вверх и вниз по иерархии. 
первых , увеличивается время доступа. Доступ к регистрам занимает 
несколько наносекунд, доступ к кэш-памяти занимает немного больше 
времени, доступ к основной памяти занимает несколько десятков 
наносекунд. 
Тогда есть большая разница: доступ к дискам занимает не менее 10 
микросекунд , а время доступа к магнитным лентам и оптическим дискам 

---

обычно измеряется секундами (потому что эти запоминающие устройства 
должны быть помещены в подходящее устройство). 
Во- вторых , увеличивается объем памяти. Регистры имеют размер не 
более 128 байт, кэш-память — несколько мегабайт, оперативная память — до 
нескольких гигабайт , магнитные диски — от единиц гигабайт до нескольких 
терабайт . 
В- третьих , увеличивается количество битов, которые вы получаете за 
доллар . Оперативная память стоит несколько долларов за мегабайт , 
магнитные диски — несколько центов за мегабайт, магнитная лента — 
несколько долларов за гигабайт или меньше . 
5.2. Магнитные диски 
Магнитный диск состоит из одной или нескольких алюминиевых 
поверхностей, покрытых магнитным слоем. Первоначально их диаметр 
составлял 50 см , сейчас — от 3 до 12 см, в портативных компьютерах — 
менее 3 см, и эта величина продолжает уменьшаться . 

---

Головка диска, содержащая индукционную катушку, перемещается по 
поверхности диска и опирается на воздушную подушку. В дискетах головка 
касается поверхности. Когда через головку проходит положительный или 
отрицательный ток, он намагничивает поверхность под головкой. 
При этом магнитные частицы намагничиваются вправо или влево в 
зависимости от полярности тока. 
При прохождении головки через магнитное поле в ней (головке) 
генерируется положительный или отрицательный ток, который позволяет 
считывать ранее записанные биты. Поскольку диск вращается под головкой, 
поток битов может быть сначала записан, а затем прочитан. 

---

Трек — это циклическая последовательность битов, записываемых на 
диск во время полного оборота диска. Каждая дорожка разделена на сектора 
фиксированной длины. Каждый сектор обычно содержит 512 байт данных. 
Данным предшествует преамбула, которая позволяет синхронизировать 
головку перед чтением или записью. За данными следует код исправления 
ошибок (Error-Correcting Code, YeCC), используемый как код Хэмминга, или 
код Рида-Соломона, который часто позволяет исправлять несколько ошибок, 
а не только одну. Между соседними секторами имеется межсекторный 
интервал . 
Многие 
производители 
указывают 
начальный 
размер 
неформатированного диска, коды YeCC и сектора определить размер, 
содержащий интервал . 
Емкость отформатированного диска обычно на 15 процентов меньше, 
чем у неформатированного диска. 
Все диски имеют кронштейны , которые могут перемещаться вперед и 
назад на радиально разные расстояния от шпинделя, вокруг которого 
вращается диск . Разные полосы написаны на разном расстоянии от оси. 
Таким образом, дорожки представляют собой серию концентрических 
окружностей вокруг шпинделя . 
Ширина пути зависит от размера головы и точности ее движения. В 
настоящее время диски имеют от 5 000 до 10 000 дорожек на см, что 
означает, что каждая дорожка имеет ширину от 1 до 2 микрон (1 микрон = 
1/1000 мм). 
Следует 
отметить, 
что 
дорожка 
представляет 
собой 
не 
концентрическую бороздку на поверхности диска, а кольцо из 
намагниченного материала, которое отделено от других дорожек 
небольшими граничными участками. 

---

Битовая плотность в концентрических дорожках меняется в 
зависимости от расстояния до центра диска и в основном зависит от качества 
поверхности диска и чистоты воздуха. 
Плотность записи современных дисков составляет от 50 000 до 100 000 
бит/см. Таким образом, при записи в радиальном направлении на единицу 
площади сохраняется примерно в 50 раз больше данных, чем в круговом 
направлении . 
Для увеличения плотности производители разрабатывают новые 
технологии, при которых биты измеряются «вдоль» не по окружности диска, 
а по вертикали — как бы проникая в глубину материала. 
Диски герметично закрыты для достижения высокого качества 
поверхности и достаточной чистоты воздуха. Такие диски называются 
жесткими дисками (винчестерами) . 
Впервые они были выпущены IBM. Они бывают 30 мегабайт 
постоянных и 30 мегабайт e to e ga e в разделяемую память . Большинство 
магнитных дисков состоят из нескольких пластин , уложенных друг на друга 
. Каждая поверхность оснащена кронштейном и головкой . 
Производительность диска зависит от многих факторов. Чтобы прочитать 
или записать из сектора , нужно переместить головку на нужное расстояние 
от оси . Этот процесс называется поиском. Среднее время поиска между 
случайными путями составляет от 5 до 10 мс . до , поиск между соседними 
каналами 1 мс меньше, чем Когда головка перемещается на нужное 

---

расстояние от центра , она какое-то время ждет , пока нужный сектор не 
окажется под головкой (это называется временем ожидания сектора ). 
Большинство дисков вращаются со скоростью 5400, 7200 или 10 800 об/мин . 
Таким образом, средняя задержка на сектор (полупериод ) составляет от 3 до 
6 мс. до _ 
Время передачи данных зависит от плотности записи и скорости 
вращения диска. При скорости передачи данных от 20 до 40 Мбайт в секунду 
время передачи одного сектора (512 байт) составляет от 13 до 26 мкс. 
Следовательно, время поиска и время поиска сектора определяют время 
передачи данных. Чтение секторов из разных частей диска явно 
неэффективно. 
Следует отметить, что из-за преамбул, кодов YeCC, промежутков 
между секторами, а также определенного времени, затрачиваемого на поиск 
полосы и ожидание сектора, необходимая информация разбросана по разным 
частям диска, и они находятся в одном Существует огромная разница между 
скоростью передачи данных для режима последовательного чтения и режима 
последовательного чтения. 
В первом случае максимальная скорость передачи данных достигается, 
когда голова находится на первом бите данных. 
Однако производительность на этой скорости может быть сохранена 
только в одном секторе. 
Для некоторых приложений (например, мультимедиа) становится 
важной средняя скорость передачи за определенный период с учетом 
требуемого времени поиска и секторной задержки. 
𝐿 = 2𝜋𝑅 формула расчета длины круга показывает, что общая длина 
внешних полос движения больше, чем длина внутренних дорожек. 
Поскольку все магнитные диски вращаются с постоянной угловой 
скоростью независимо от того, где находятся головки, возникает очевидная 
проблема. Раньше при изготовлении дисков производители использовали 
наибольшую плотность записи на внутренней дорожке, и по мере удаления 
от центра диска плотность записи постепенно уменьшалась. Если дорожка 
имеет, например, 18 секторов, то каждый из них занимает дугу в 20°, и не 
имеет значения, на каком цилиндре находится дорожка. 
При этом используется другая стратегия. Цилиндры разделены на зоны 
(обычно от 10 до 30 на диске). В каждом секторе по мере движения от центра 
диска количество секторов на дорожке увеличивается. Это усложняет 
структуру данных на дорожке, но главное увеличивает размер диска . Все 
сектора одинаковы будет иметь размер .