Оптимизация работы дискового накопителя
В иерархической системе памяти современного компьютера накопитель на жестком магнитном диске имеет очень большое значение. Он используется не только в роли вторичной памяти для виртуальной памяти, но и как устройство долговременной памяти для хранения программ и данных.
В многозадачной операционной системе может наблюдаться весьма интенсивный поток запросов к дисковому накопителю. В то же время, сам дисковый накопитель, являясь электромеханическим устройством, имеет ограниченные возможности по быстродействию, в сотни раз проигрывая по этому показателю ОЗУ.
В этой связи, для сохранения эффективности работы всего компьютера, необходимо принимать специальные меры по оптимизации дисковых операций. Можно выделить два класса решений этой задачи: оптимизация механических перемещений головок диска, и кэширование дисковых операций с использованием ОЗУ.
Оптимизация механических перемещений головок диска
Заметим, что при малой интенсивности запросов к дисковому накопителю, когда мала вероятность поступления новых запросов во время обслуживания текущего запроса, какой-либо дополнительной оптимизации работы диска не требуется.
Необходимость оптимизации возникает только при наличии очереди не обслуженных запросов к диску, при этом цель оптимизации состоит в том, чтобы переупорядочить эти запросы таким образом, чтобы их обслуживание потребовало бы минимального перемещения головок дискового накопителя. Такая сортировка запросов позволяет повысить пропускную способность дискового накопителя.
Действительно, время обслуживания запроса складывается из времени поиска записи, когда головки диска подводятся к нужному месту поверхности, и собственно времени чтения. Оптимизация перемещения головок позволяет сократить продолжительность первой операции – поиска записи, за счет того, что из всех возможных запросов, выбирается запрос, требующий минимального перемещения головок. Очевидно, что такой запрос выполнится быстрее всего. Следовательно, возрастает количество запросов, обслуживаемых в единицу времени, т.е. пропускная способность.
Основы устройства и функционирования дисковых накопителей
Основным элементом дискового накопителя является магнитный диск, на обеих поверхностях которого осуществляется запись информации (рис. 39).
Рис.39. Размещение данных на поверхности диска
Дорожки записи расположены на поверхности диска в виде концентрических окружностей. Магнитная головка может перемещаться по радиусу диска, и останавливаться над заданной дорожкой для записи или чтения информации. Каждая дорожка диска содержит довольно большое количество информации, в то время как реально требуется иметь возможность адресовать более мелкие информационные блоки. Поэтому данные дорожки разбиваются на более мелкие фрагменты, называемые секторами. В результате, после позиционирования головки на дорожку необходимо подождать еще некоторое время, пока нужный сектор подойдет к головке по мере поворота диска.
В реальных дисковых накопителях часто установлено несколько магнитных дисков на общей оси, а магнитные головки всех дисков располагаются на общей каретке. При такой архитектуре, в результате перемещения головок на всех дисках сразу будет выбираться одна и та же дорожка. Совокупность одноименных дорожек на всех дисках накопителя называется цилиндром. Для доступа к конкретной записи, помимо номера цилиндра, необходимо указать номер поверхности –диск и сторону на нем, содержащую нужную дорожку.
Процедура поиска записи на диске может быть разделена на 2 этапа: выбор цилиндра и ожидание прохода сектора. Современные диски вращаются со скоростью порядка тысяч оборотов в минуту (7200rpm, 9600 rpm являются типичными скоростями даже для недорогих дисковых накопителей), поэтому время ожидания сектора не превысит единиц миллисекунд. Время же выбора цилиндра даже у современных дисков может достигать десятков миллисекунд, поэтому большинство стратегий оптимизации механических перемещений направлены только на минимизацию времени выбора цилиндра, и не предпринимают каких либо попыток оптимизации для сокращения времени ожидания сектора.
Рассмотрим наиболее известные стратегии оптимизации механических перемещений головок дискового накопителя.