Форм-фактор, объем буфера и остальные характеристики HDD. Выбор жесткого диска для компьютера. Обзор основных характеристик магнитных накопителей

Кэш память – это сверх быстрая память, которая по сравнению с оперативной памятью имеет повышенное быстродействие.

Кэш память дополняет функциональное значение оперативной памяти.
При работе компьютера все вычисления происходят в процессоре, а данные для этих вычислений и их результаты хранятся в оперативной памяти. Скорость работы процессора в несколько раз превосходит скорость обмена информацией с оперативной памятью. Учитывая, что между двумя операциями процессора может выполняться одна или несколько операций с более медленной памятью, получаем, что процессор должен время от времени простаивать без работы и совокупная скорость компьютера падает.

Кэш-памятью управляет специальный контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память, т.е. кэш-контроллер загружает в кэш-память нужные данные из оперативной памят-и, и возвращает, когда нужно, модифицирован-ные процессором данные в оперативную память.

Кэш память процессора выполняет примерно ту же функцию, что и оперативная память. Только кэш - это память встроенная в процессор и потому быстрее оперативной памяти, отчасти благодаря своему положению. Ведь линии связи, идущие по материнской плате, и разъем пагубно влияют на скорость. Кэш современного персонального компьютера расположен прямо на процессоре, благодаря чему удалось сократить линии связи и улучшить их параметры.

Кэш-память используется процессором для хранения информации. В ней буферизируются самые часто используемые данные, за счет чего, время очередного обращения к ним значительно сокращается.

Во всех современных процессорах имеется кэш (по-английски - cache) - массив сверхскоростной оперативной памяти, являющейся буфером между контроллером сравнительно медленной системной памяти и процессором. В этом буфере хранятся блоки данных, с которыми CPU работает в текущий момент, благодаря чему существенно уменьшается количество обращений процессора к чрезвычайно медленной (по сравнению со скоростью работы процессора) системной памяти.

Тем самым заметно увеличивается общая производительность процессора.
При этом в современных процессорах кэш давно не является единым массивом памяти, как раньше, а разделен на несколько уровней. Наиболее быстрый, но относительно небольшой по объему кэш первого уровня (обозначаемый как L1), с которым работает ядро процессора, чаще всего делится на две половины - кэш инструкций и кэш данных. С кэшем L1 взаимодействует кэш второго уровня - L2, который, как правило, гораздо больше по объему и является смешанным, без разделения на кэш команд и кэш данных.

Некоторые десктопные процессоры, по примеру серверных процессоров, также порой обзаводятся кэшем третьего уровня L3. Кэш L3 обычно еще больше по размеру, хотя и несколько медленнее, чем L2 (за счет того, что шина между L2 и L3 более узкая, чем шина между L1 и L2), однако его скорость, в любом случае, несоизмеримо выше, чем скорость системной памяти.

Кэш бывает двух типов: эксклюзивный и не инксклюзивный кэш. В первом случае информация в кэшах всех уровней четко разграничена - в каждом из них содержится исключительно оригинальная, тогда как в случае не инксклюзивного кэша информация может дублироваться на всех уровнях кэширования. Сегодня трудно сказать, какая из этих двух схем более правильная - и в той, и в другой имеются как минусы, так и плюсы. Эксклюзивная схема кэширования используется в процессорах AMD, тогда как не эксклюзивная - в процессорах Intel.

Эксклюзивная кэш-память

Эксклюзивная кэш-память предполагает уникальность информации, находящейся в L1 и L2.
При считывании информации из ОЗУ в кэш - информация сразу заносится в L1. Когда L1 заполнен, то, информация переносится из L1 в L2.
Если при считывании процессором информации из L1 нужная информация не найдена, то она ищется в L2. Если нужная информация найдена в L2, то кэши первого и второго уровня обмениваются между собой строками (самая "старая" строка из L1 помещается в L2, а на ее место записывается нужная строка из L2). Если нужная информация не найдена и в L2, то обращение идет к оперативной памяти.
Эксклюзивная архитектура применяется в системах, где разность между объемами кэшей первого и второго уровня относительно невелика.

Инклюзивная кэш-память

Инклюзивная архитектура предполагает дублирование информации, находящейся в L1 и L2.
Схема работы следующая. Во время копирования информации из ОЗУ в кэш делается две копии, одна копия заносится в L2, другая копия - в L1. Когда L1 полностью заполнен, информация замещается по принципу удаления наиболее "старых данных" - LRU (Least-Recently Used). Аналогично происходит и с кэшем второго уровня, но, поскольку его объем больше, то и информация хранится в нем дольше.

При считывании процессором информации из кэша, она берется из L1. Если нужной информации в кэше первого уровня нет, то она ищется в L2. Если нужная информация в кэше второго уровня найдена, то она дублируется в L1 (по принципу LRU), а затем, передается в процессор. Если нужная информация не найдена и в кэше второго уровня, то она считывается из ОЗУ.
Инклюзивная архитектура применяется в тех системах, где разница в объемах кэшей первого и второго уровня велика.

Однако Кэш-память малоэффективна при работе с большими массивами данных (видео, звук, графика, архивы). Такие файлы просто не помещаются в КЭШ, поэтому все время приходится обращаться к оперативной памяти, или даже к HDD. В таких случаях все преимущества исчезают.Потому-то бюджетные процессоры (например, Intel Celeron) с урезанным КЭШем так популярны, что на производительность в мультимедийных задачах (связанных с обработкой больших массивов данных) объем КЭШа сильно не влияет, даже несмотря на урезанную частоту работы шины Intel Celeron.

Кэш-память на жестком диске

Как правило, на всех современных жестких дисках есть собственная оперативная память, называемая кэш-памятью (cache memory) или просто кэшем. Производители жестких дисков часто называют эту память буферной. Размер и структура кэша у фирм-производителей и для различных моделей жестких дисков существенно отличаются.

Кэш-память выступает в роли буфера для хранения промежуточных данных, которые уже считаны с жесткого диска, но еще не были переданы для дальнейшей обработки, а также для хранения данных, к которым система обращается довольно часто. Необходимость наличия транзитного хранилища вызвана разницей между скоростью считывания данных с жесткого диска и пропускной способностью системы.

Обычно кэш память используется как для записи данных так и для чтения, но на SCSI дисках иногда требуется принудительное разрешение кэширования записи, так обычно по умолчанию кэширование записи на диск для SCSI запрещено. Хоть это и противоречит вышесказанному, но размер кеш-памяти не является решающим для повышения эффективности работы.

Более важна организация обмена данными с кэшем для увеличения производительности диска в целом.
Кроме этого на производительность в целом влияет алгоритмы работы управляющей электроники, предотвращающие ошибки при работе с буфером (хранение неактуальных данных, сегментирование и т.д.)

В теории: чем больше будет объем кеш памяти, тем выше вероятность, что необходимые данные находятся в буфере и не нужно будет «беспокоить» жесткий диск. Но на практике случается, что диск с большим объемом кэш-памяти мало чем отличается по производительности от жесткого диска с меньшим объемом, такое случается при работе с файлами большого размера.

Самый известный Алёша рунета делится шокирующей информацией.
http://www.exler.ru/blog/item/12406/?25

Помнится, в девяностых годах я на различных компьютерах, которым важна была производительность при работе с жестким диском, использовал так называемые кеш-контроллеры: это были платы, снабженные слотами для обычной оперативной памяти, в которые вставлялся определенный объем этой памяти, и она с помощью платы использовалась для кеширования данных с жесткого диска. Такая штука очень заметно ускоряла работу с жестким диском, особенно при использовании графических пакетов, вроде Corel Draw.

Особенно при использовании графических пакетов, вроде Corel Draw. Именно так.
(треск разрываемых шаблонов, глухой удар головы об стол )

Для начала определимся, что из себя представляет аппаратный дисковый кэш.
По большому счёту, это - кусок оперативы небольшого размера, "вшитый" в электронику винчестера.

Кэш-память выступает в роли буфера для хранения промежуточных данных, которые уже считаны с жесткого диска , но еще не были переданы для дальнейшей обработки, а также для хранения данных, к которым система обращается довольно часто . Необходимость наличия транзитного хранилища вызвана разницей между скоростью считывания данных с жесткого диска и пропускной способностью системы.

Если какой-либо файл часто используется системой, то он будет помещён в дисковый кэш, чтобы 1) не дёргать лишний раз диск и 2) ускорить доступ к этому файлу. Убийство двух зайцев.

Вообще говоря, в кэш помещается не файл, а любое содержимое аппаратных блоков диска, которое часто читается. Например, служебные данные файловой системы. Или MBR. Или 12 килобайт из середины гигабайтного файла БД. Диск своё содержимое не различает, ему всё равно.
Ситуация с файлом приведена для наглядности.

Проблема в том, что в 90-е годы диски выпускались или без кэша, или он был слишком мал для хранения необходимых данных. И эта проблема действительно решалась использованием кэш-контроллеров.

Потом диски стали заметно быстрее, кеширование стала прилично делать операционная система, ну и отдельные кеш-котроллеры потихоньку отмерли, тем более что они были недешевые плюс под них еще надо было покупать память.

По относительной скорости жёсткие диски недалеко ушли от скорости в 90-х годах: они до сих пор являются самой медленной деталью компьютера. Но развитие технологий позволило поместить в диски достаточный объём кэш-памяти. Достаточный для того, чтобы необходимость в отдельных кэш-контроллерах отпала.

Плюс, в юниксовых ОС дополнительным кэшем выступает "лишняя" (неиспользуемая) оперативная память. Так называемый, программный дисковый кэш . Иногда его называют "буферным кэшем", но это несколько другое.

В виндах он тоже есть, но вся его выгода полностью компенсируется неадекватным использованием файла подкачки.
Обычное состояние системы: содержимое оперативной памяти лежит на диске (pagefile.sys), а содержимое диска - в оперативной памяти (программный дисковый кэш). Шизофрения.

Не так давно эти кеш-контроллеры стали возвращаться, но уже в образе SSD-дисков. Сначала появились так называемые гибридные диски - обычные жесткие диски, в которых также был встроен отдельный SSD небольшого размера (16-32 Гб), который использовался исключительно для кеширования.

Автор не понимает, что ничего никуда не уходило, чтобы теперь с салютом и фанфарами возвращаться.
И что гибридные диски - это маркетинговый ход (зачем-то в обычный винт запихали SSD на 16 гигов, да ещё и с урезанной функциональностью).
И что логичнее, проще и правильнее использовать два винта: быстрый SSD для системы и обычный винт для данных. Ибо кэш размером в 16 гигов - это феерический бред (с одной оговоркой: на данный момент ).

А сейчас стали выпускать отдельные SSD, которые также используются именно для кеширования

Читай - обычные SSD с красной надписью «Cache Only».

Хуже ламера - только ламер с большой аудиторией. ©

Кэш память или как ее называют буферная память жесткого диска. Если вы не знаете что это, то мы с радостью ответим на данный вопрос и расскажем обо всех имеющихся особенностях. Это особый вид оперативки, выступающий в качестве буфера для хранения ранее считанных, но еще не переданных данных для их дальнейшей обработки, а также для хранения информации, к которой система обращается чаще всего.

Необходимость в транзитном хранилище появилась из-за значительной разницы между пропускной способности системы ПК и скорости считывания данных с накопителя. Также кэш-память можно встретить на других устройствах, а именно в видеокартах, процессорах, сетевых картах и прочих.

Какой бывает объем и на что он влияет

Отдельного внимания заслуживает объем буфера. Зачастую HDD оснащаются кэшем 8, 16, 32 и 64 Мб. При копировании файлов больших размеров между 8 и 16 Мб будет заметна значительная разница в плане быстродействия, однако между 16 и 32 она уже менее незаметна. Если выбирать между 32 и 64, то ее вообще почти не будет. Необходимо понимать, что буфер достаточно часто испытывает большие нагрузки, и в этом случае, чем он больше, тем лучше.

В современных жестких дисках используется 32 или 64 Мб, меньше на сегодняшний день вряд ли где-то можно найти. Для обычного пользователя будет достаточно и первого, и второго значения. Тем более что помимо этого на производительность также влияет размер собственного, встроенного в систему кэша. Именно он увеличивает производительность жесткого диска, особенно при достаточном объеме оперативки.

То есть, в теории, чем больше объем, тем лучше производительность и тем больше информации может находиться в буфере и не нагружать винчестер, но на практике все немного по-другому, и обычный пользователь за исключением редких случаев не заметит особой разницы. Конечно, рекомендуется выбирать и покупать устройства с наибольшим размером, что значительно улучшит работу ПК. Однако на такое следует идти только в том случае, если позволяют финансовые возможности.

Предназначение

Она предназначена для чтения и записи данных, однако на SCSI дисках в редких случаях необходимо разрешение на кэширование записи, так как по умолчанию установлено, что кэширование записи запрещено. Как мы уже говорили, объем – не решающий фактор для улучшения эффективности работы. Для увеличения производительности винчестера более важной является организация обмена информацией с буфером. Кроме этого, на нее также в полной мере влияет функционирование управляющей электроники, предотвращение возникновения и прочее.

В буферной памяти хранятся наиболее часто используемые данные, в то время как, объем определяет вместимость этой самой хранимой информации. За счет большого размера производительность винчестера возрастает в разы, так как данные подгружаются напрямую из кэша и не требуют физического чтения.

Физическое чтение – прямое обращение системы к жесткому диску и его секторам. Данный процесс измеряется в миллисекундах и занимает достаточно большое количество времени. Вместе с этим HDD передает данные более чем в 100 раз быстрее, чем при запросе путем физического обращения к винчестеру. То есть, он позволяет устройству работать даже если хост-шина занята.

Основные преимущества

Буферная память имеет целый ряд достоинств, основным из которых является быстрая обработка данных, занимающая минимальное количество времени, в то время как физическое обращение к секторам накопителя требует определенного времени, пока головка диска отыщет требуемый участок данных и начнет их читать. Более того, винчестеры с наибольшим хранилищем, позволяют значительно разгрузить процессор компьютера. Соответственно процессор задействуется минимально.

Ее также можно назвать полноценным ускорителем, так как функция буферизации делает работу винчестера значительно эффективнее и быстрее. Но на сегодняшний день, в условиях быстрого развития технологий, она теряет свое былое значение. Это связано с тем, что большинство современных моделей имеют 32 и 64 Мб, чего с головой хватает для нормального функционирования накопителя. Как уже было сказано выше, переплачивать разницу можно лишь тогда, когда разница по стоимости соответствует разнице в эффективности.

Напоследок хотелось бы сказать, что буферная память, какой бы она не была, улучшает работу той или иной программы, или устройства только в том случае, если идет многократное обращение к одним и тем же данным, размер которых не больше размера кэша. Если ваша работа за компьютером связана с программами, активно взаимодействующими с небольшими файлами, то вам нужен HDD с наибольшим хранилищем.

Как узнать текущий объем кэша

Все что нужно, это скачать и установить бесплатную программу HDTune . После запуска перейдите в раздел «Информация» и в нижней части окна вы увидите все необходимые параметры.

Если вы покупаете новое устройство, то все необходимые характеристики можно узнать на коробке или в приложенной инструкции. Еще один вариант – посмотреть в интернете.

В этом видео разобран весь принцип работы

Личная коллекция цифровых данных имеет тенденцию со временем экспоненциально увеличиваться. С годами, количество данных в виде тысячи песен, фильмов, фотографий, документов, всяких видеокурсов непрерывно растет и они, естественно, где-то должны храниться. компьютера или , каким бы большим он ни был, все равно когда-нибудь полностью исчерпает свободное пространство.

Очевидное решение проблемы нехватки места для хранения данных – покупка DVD-дисков, USB флэш-накопителей или внешнего жесткого диска(HDD). Флеш накопители обычно предоставляют несколько Гб дискового пространства, но они однозначно не подходят для длительного хранения, к тому же, соотношение цена – объем у них, мягко говоря, не самое лучшее. DVD-диски – выгодный вариант в плане цены, но не удобный в плане записи, перезаписи и удаления ненужных данных, но они потихоньку сдыхают становятся устаревшей технологией. Внешний HDD предоставляет большой объем пространства, портативен, удобен в использовании, прекрасно подходит для длительного хранения данных.

При покупке внешнего HDD, чтобы сделать правильный выбор, вы должны знать, на что обращать внимание в первую очередь. В этой статье мы расскажем, какими критериями необходимо руководствоваться при выборе и покупке внешнего жесткого диска.

На что обращать внимание при покупке внешнего жесткого диска

Начнем с выбора марки, лучшими из них являются Maxtor , Seagate, Iomega , LaCie, Toshiba и Western Digita l.
Наиболее важными характеристиками, на которые необходимо обращать внимание при покупке:

Емкость

Объем дискового пространства, это первое, что необходимо учитывать. Основное правило, которым вы должны руководствоваться при покупке – емкость, которая вам необходима, умножайте на три. Например, если вы думаете, что 250 ГБ дополнительного места на винчестере достаточно, покупайте модель от 750 Гб. Диски с большим объемом дискового пространства, как правило, довольно громоздки, что сказывается на их мобильных возможностях, это также необходимо учитывать тем, кто часто носит внешний накопитель с собой. Для настольных компьютеров, в продаже имеются модели с объемом дискового пространства в несколько терабайт.

Форм-фактор

Форм-фактор определяет размер устройства. В настоящее время для внешних HDD используются форм-факторы 2,5 и 3,5.
2,5-форм-факторы(размер в дюймах)- меньше по размерам, имеют небольшой вес, энергопитание получает от порта, компактны, мобильны.
3,5 форм факторы – больше в размерах, имеют дополнительное питание от электросети, довольно тяжелы (часто более 1 Кг), имеют большой объем дискового пространства. Обратите внимание на блок питания от сети, т.к. если планируется подключать устройство к слабенькому ноутбуку, то он возможно не сможет обеспечить раскрутку диска — и диск просто не будет работать.

Скорость вращения (RPM)

Вторым важным фактором, который необходимо учитывать — скорость вращения диска, указываемая в RPM (обороты в минуту). Большая скорость обеспечивает быстрое считывание данных и высокую скорость записи. Любой HDD, имеющий скорость вращения диска равной 7200 RPM и более является хорошим выбором. Если скорость для вас не критична, то можно выбрать модель с 5400 RPM, они тише работают и меньше греются.

Размер кэш-памяти

Каждый внешний HDD имеет буфер или кэш-память, в которую временно помещаются данные перед тем, как они попадают на диск. Диски с большим размером кеш-памяти передают данные быстрее тех, которые имеют кеш меньшего размера. Выбирайте модель, имеющую как минимум 16 мб кеш-памяти, желательно больше.

Интерфейс

Кроме вышеперечисленных факторов, еще одной важной особенностью является тип интерфейса, используемого для передачи данных. Наиболее распространенным является USB 2.0. набирает популярность USB 3.0, у нового поколения значительно возросла скорость передачи данных, также доступны модели с интерфейсами FireWire и ESATA. Рекомендуем остановить свой выбор на моделях с интерфейсами USB 3.0 и ESATA, имеющих высокую скорость передачи данных, при условии, что ваш компьютер оборудован соответствующими портами. Если для вас критическое значение имеет возможность подключать внешний жесткий диск к возможно большему количеству устройств – выбирайте модель с версией интерфейса USB 2.0.

Жесткий диск (винчестер, HDD) является одной из очень важных частей компьютера. Ведь при поломки процессора, видеокарты и т.д. Вы испытываете сожаление только к потери денег для новой покупки, при поломки винчестера Вы рискуете потерять без возвратно важные данные. Так же от жесткого диска зависит и скорость работы компьютера в целом. Разберемся, как правильно выбрать жесткий диск.

Задачи жесткого диска

Задача жесткого диска внутри компьютера - сохранять и выдавать информацию очень быстро. Жесткий диск удивительное изобретение компьютерной индустрии. Пользуясь законами физики, этот не большой прибор хранит практически неограниченное количество информации.

Тип жесткого диска

IDE - устаревшие винчестеры относятся для подключения к старым материнским платам.

SATA - заменили жесткие диски IDE, имеют более высокую скорость передачи данных.

Интерфейсы SATA бывают разных моделей, отличаются они между собой так же скоростью обменом данных и поддержкой разных технологий:

• SATA- имеет скорость передачи до 150мб/c.
• SATA II- имеет скорость передачи до 300мб/c
• SATА III- имеет скорость передачи до 600мб/c

SATA-3 начали выпускаться совсем не давно, с начала 2010 года. При покупки такого винчестера надо обратить внимание на год выпуска вашего компьютера (без апгрейда), если он ниже этой даты, то вам этот жесткий диск не подойдет! HDD - SATA, SATA 2 имеют одинаковые разъемы подключения и совместимы между собой.

Объем жесткого диска

Самые распространенные жесткие диски, которыми пользуется большинство пользователей в домашних условиях, имеют объем: 250, 320, 500 гигабайт. Есть еще меньше, но встречаются все реже 120, 80 гигабайт, а в продаже их уже вовсе нет. Для возможности хранения очень большой информации существуют жесткие диски 1, 2, 4 тирабайта.

Скорость и кеш память жесткого диска

При выборе жесткого диска важно обращать внимание на его скорость работы (скорость работы шпинделя). От этого будет зависеть скорость работы всего компьютера. Обычная скорость дисков составляет 5400 и 7200 оборотов в минуту.

Объем буферной памяти (кеш память)- физическая память жесткого диска. Существует несколько размеров такой памяти 8, 16, 32, 64 мегабайта. Чем выше скорость оперативной памяти жесткого диска, тем быстрее будет скорость передачи данных.

В заключении

Перед покупкой, уточняйте какой именно жесткий диск подойдет для вашей материнской платы: IDE, SATA или SATA 3. Смотрим в характеристиках скорость вращения дисков и объем буферной памяти, это основные показатели на что нужно обратить внимание. Так же смотрим фирму производитель и объем который вас устроит.

Желаем удачных покупок!

Делитесь в комментариях своим выбором, это поможет другим пользователям сделать правильный выбор!



xn----8sbabec6fbqes7h.xn--p1ai

Системное администрирование и многое другое

Использование кеша увеличивает быстродействие любого жесткого диска, уменьшая количество физических обращений к диску, а также позволяет работать винчестеру даже тогда, когда хост-шина занята. Большинство современных накопителей имеют объем кеша от 8 до 64 мегабайт. Это даже больше чем объём жёсткого диска у среднего компьютера девяностых годов прошлого столетия.

Не смотря на то, что кеш увеличивает скорость работы накопителя в системе, он также имеет и свои минусы. Для начала, кеш нисколько не ускоряет работу накопителя при случайных запросах информации, расположенной в разных концах пластины, поскольку при таких запросах нет смысла в превыборке. Также, кеш нисколько не помогает при чтении больших объемов данных, т.к. он обычно достаточно маленький, например при копировании 80 мегабайтного файла, при обычном в наше время буфере объемом 16 мегабайт, в кеш влезет только чуть меньше 20% копируемого файла.

Не смотря на то, что кеш увеличивает скорость работы накопителя в системе, он также имеет и свои недостатки. Для начала, кеш нисколько не ускоряет работу накопителя при случайных запросах информации, расположенной в разных концах пластины, поскольку при таких запросах нет смысла в превыборке. Также, он нисколько не помогает при чтении больших объемов данных, т.к. он обычно достаточно маленький. Например, при копировании 80 мегабайтного файла, при обычном в наше время буфере объемом 16 мегабайт, в кеш поместится только чуть меньше чем 20% копируемого файла.

В последние годы, производители жестких дисков значительно увеличили емкость кеша в своих продуктах. Даже в конце 90-х годов, 256 килобайт было стандартом для всех накопителей и только высокоуровневые устройства имели кеш объемом 512 килобайт. В настоящее время, кеш размером 8 мегабайта стал уже стандартом де-факто для всех накопителей, в то время как наиболее производительные модели имеют емкости 32, а то и 64 мегабайт. Есть две причины, по которым наблюдался столь быстрый рост буфера накопителя. Одна из них - резкое снижение цен на микросхемы синхронной памяти. Вторая причина - это вера пользователей в то, что удвоение или даже учетверение размера кеша очень сильно скажется на скорости работы накопителя.

Размер кеша жесткого диска, конечно, влияет на скорость работы накопителя в операционной системе, но не настолько, как представляют себе пользователи. Производители пользуются верой пользователя в размер кеша, и в рекламных проспектах делают громкие заявления об учетверенном по сравнению со стандартной моделью размере кеша. Тем не менее, сравнивая один и тот же жесткий диск с размерами буферов в 16 и 64 мегабайта, выясняется, что ускорение работы выливается в несколько процентов. К чему это приводит? К тому, что только очень большая разница в размерах кеша (например между 512 килобайтами и 64 мегабайтами) будет ощутимо сказываться на скорость работы накопителя. Так же надо помнить, что размер буфера винчестера по сравнению с памятью компьютера довольно мал, и зачастую больший вклад в работу накопителя имеет «софтовый» кеш, то есть промежуточный буфер, организованный средствами операционной системы под кэширование операций с файловой системой и находящийся в памяти компьютера.

К счастью, есть более быстрый вариант работы кеша: компьютер записывает данные в накопитель, они попадают в кеш, и накопитель сразу же отвечает системе, что запись произведена; компьютер продолжает дальше работать, веря в то, что накопитель смог очень быстро записать данные, в то время как накопитель «обманул» компьютер и только записал нужные данные в кеш, и только потом начал записывать их на диск. Эта технология называется write-back caching (кэш с обратной записью).

Вследствие такого риска, на некоторых рабочих станциях не производится кеширования вообще. Современные накопители позволяют отключать режим кеширования записи. Это особо важно в приложениях, где правильность данных очень критична. Т.к. данный вид кеширования сильно увеличивает скорость работы накопителя, все-таки обычно прибегают к другим методам, которые позволяют снизить риск потери данных вследствие отключения электричества. Самый распространенный метод - это подключение компьютера к блоку бесперебойного питания. Кроме этого, все современные накопители имеют функцию «flush write cache», которая принудительно заставляет накопитель записать данные из кеша на поверхность, но, системе приходится выполнять эту команду вслепую, т.к. она все равно не знает, есть ли в кеше данные или нет. Каждый раз, когда происходит выключение питания, современные операционные системы посылают эту команду винчестеру, потом происходит посылка команды запарковать головки (хотя эту команду можно было бы и не посылать, т.к. каждый современный накопитель автоматически паркует головки при понижении напряжения ниже предельно допустимого уровня) и только после этого компьютер выключается. Это гарантирует сохранность данных пользователя и правильное выключение винчестера.

sysadminstvo.ru

Кеш жёсткого диска

05.09.2005

Все современные накопители имеют встроенный кеш, также называемый буфером. Предназначение этого кеша не такое, как у кеша процессора. Функция кеша - это буферизация между быстрым и медленным устройствами. В случае жёстких дисков, кеш используется для временного хранения результатов последнего чтения с диска, а также для превыборки информации, которая может быть запрошена несколько позже, например, несколько секторов после текущего запрошенного сектора.

Использование кеша увеличивает быстродействие любого жесткого диска, уменьшая количество физических обращений к диску, а также позволяет работать винчестеру даже тогда, когда хост-шина занята. Большинство современных накопителей имеют объем кеша от 2 до 8 мегабайт. Тем не менее, наиболее продвинутые SCSI диски имеют кеш, достигающий объема в 16 мегабайт, это даже больше чем у среднего компьютера девяностых годов прошлого столетия.

Следует заметить, что когда кто-либо говорит о дисковом кеше, чаще всего имеется ввиду не именно кеш жесткого диска, а некий буфер, выделенный операционной системой для ускорения процедур чтения-записи именно в этой операционной системе.

Причина, по которой кеш жесткого диска очень важен - это большая разница между скоростью работы самого жесткого диска и скоростью работы интерфейса жесткого диска. При поиске нужного нам сектора проходят целые миллисекунды, т.к. затрачивается время на передвижение головки, ожидание нужного сектора. В современных персональных компьютерах даже одна миллисекунда это очень много. На типичном IDE/ATA накопителе время передачи 16-килобайтного блока данных из кеша в компьютер примерно в сотни раз быстрее, чем время нахождения и считывания его с поверхности. Вот почему все жесткие диски имеют внутренний кеш.

Другая ситуация, это запись данных на диск. Предположим, что нам надо записать все тот же 16-килобайтный блок данных, имея кеш. Винчестер мгновенно перебрасывает этот блок данных во внутренний кеш, и рапортует системе, что он опять свободен для запросов, параллельно с этим записывая данные на поверхность магнитных дисков. В случае последовательного чтения секторов с поверхности, кеш уже не играет большой роли, т.к. скорости последовательного чтения и скорость интерфейса в данном случае примерно одинаковы.

Общие концепции работы кеша жесткого диска

Самый простой принцип работы кеша - это хранение данных не только запрошенного сектора, но и нескольких секторов после него. Как правило, чтение с жесткого диска происходит не блоками по 512 байт, а блоками по 4096 байт (кластер, хотя размер кластера может и варьироваться). Кеш разбит на сегменты, каждый из которых может хранить один блок данных. Когда происходит запрос к жесткому диску, контроллер накопителя в первую очередь проверяет, находятся ли запрашиваемые данные в кеше, и, если это так, то мгновенно выдает их компьютеру, не производя физический доступ к поверхности. В случае если данных в кеше не было, они сначала считываются и попадают в кеш, и только после этого передаются в компьютер. Т.к. размер кеша ограничен, происходит постоянное обновление кусочков кеша. Типично, что самый старый кусок заменяется новым. Это называется цикличным буфером, или круговым кешем.

Для повышения быстродействия накопителя производители придумали несколько методов повышения скорости работы за счет кеша:

1. Адаптивная сегментация. Обычно кеш разделен на сегменты одинакового размера. Так как запросы могут иметь разный размер, это приводит к излишнему расходованию блоков кеша, т.к. один запрос будет разделяться на сегменты фиксированной длины. Многие современный накопители динамически меняют размер сегмента, определяя размер запроса и подстраивая размер сегмента под конкретный запрос, таким образом, повышая эффективность и увеличивая или уменьшая размер сегмента. Также может меняться количество сегментов. Данная задача более сложная, чем операции с сегментами фиксированной длины, и может приводить к фрагментированности данных внутри кеша, увеличивая нагрузку на микропроцессор жесткого диска.
2. Превыборка. Микропроцессор жесткого диска на основе анализа запрашиваемых данных в настоящий момент и запросов в предыдущие моменты времени, загружает в кеш данные, которые еще не были запрошены, но имеют к этому большой процент вероятности. Самый простой случай превыборки - это загрузка в кеш дополнительных данных, которые лежат немного дальше, чем запрашиваемые сейчас данные, т.к. статистически они имеют большую вероятность быть запрошенными позднее. Если алгоритм превыборки реализован в микропрограмме накопителя корректно, то это увеличит скорость его работы в различных файловых системах и с различными типами данных.
3. Контролирование пользователем. Высокотехнологичные жесткие диски имеют набор команд, которые позволяют пользователю точно контролировать все операции с кешем. Эти команды включают в себя следующие: разрешение и запрещение работы кеша, управление размером сегментов, включение и выключение адаптивной сегментации и превыборки и т.п.

Не смотря на то, что кеш увеличивает скорость работы накопителя в системе, он также имеет и свои минусы. Для начала, кеш нисколько не ускоряет работу накопителя при случайных запросах информации, расположенной в разных концах пластины, поскольку при таких запросах нет смысла в превыборке. Также, кеш нисколько не помогает при чтении больших объемов данных, т.к. он обычно достаточно маленький, например при копировании 10 мегабайтного файла, при обычном в наше время буфере объемом 2 мегабайта, в кеш влезет только чуть меньше 20% копируемого файла.

Вследствие этих и других особенностей работы кеша, он не так сильно ускоряет работу накопителя, как хотелось бы. То, какой выигрыш в скорости он дает, зависит не только от размера буфера, но и от алгоритма работы с кешем микропроцессора, а также от типа файлов, с которыми ведется работа в данный момент. И, как правило, очень тяжело выяснить, какие алгоритмы работы кеша применяются в данном конкретном накопителе.

На рисунке представлена микросхема кеша накопителя Seagate Barracuda, она имеет емкость 4 мегабита или 512 килобайт.

Кеширование операций чтения-записи

Не смотря на то, что кеш увеличивает скорость работы накопителя в системе, он также имеет и свои недостатки. Для начала, кеш нисколько не ускоряет работу накопителя при случайных запросах информации, расположенной в разных концах пластины, поскольку при таких запросах нет смысла в превыборке. Также, он нисколько не помогает при чтении больших объемов данных, т.к. он обычно достаточно маленький. Например, при копировании 10 мегабайтного файла, при обычном в наше время буфере объемом 2 мегабайта, в кеш поместится только чуть меньше чем 20% копируемого файла.

Вследствие этих особенностей работы кеша, он не так сильно ускоряет работу накопителя, как хотелось бы. То, какой выигрыш в скорости он дает, зависит не только от размера буфера, но и от алгоритма работы с кешем микропроцессора, а также от типа файлов, с которыми ведется работа в данный момент. И, как правило, очень тяжело выяснить, какие алгоритмы работы кеша применяются в данном конкретном накопителе.

В последние годы, производители жестких дисков значительно увеличили емкость кеша в своих продуктах. Даже в конце 90-х годов, 256 килобайт было стандартом для всех накопителей и только высокоуровневые устройства имели кеш объемом 512 килобайт. В настоящее время, кеш размером 2 мегабайта стал уже стандартом де-факто для всех накопителей, в то время как наиболее производительные модели имеют емкости 8, а то и 16 мегабайт. Как правило, 16 мегабайт встречается только на SCSI накопителях. Есть две причины, по которым наблюдался столь быстрый рост буфера накопителя. Одна из них - резкое снижение цен на микросхемы синхронной памяти. Вторая причина - это вера пользователей в то, что удвоение или даже учетверение размера кеша очень сильно скажется на скорости работы накопителя.

Размер кеша жесткого диска, конечно, влияет на скорость работы накопителя в операционной системе, но не настолько, как представляют себе пользователи. Производители пользуются верой пользователя в размер кеша, и в рекламных проспектах делают громкие заявления об учетверенном по сравнению со стандартной моделью размере кеша. Тем не менее, сравнивая один и тот же жесткий диск с размерами буферов в 2 и 8 мегабайт, выясняется, что ускорение работы выливается в несколько процентов. К чему это приводит? К тому, что только очень большая разница в размерах кеша (например между 512 килобайтами и 8 мегабайтами) будет ощутимо сказываться на скорость работы накопителя. Так же надо помнить, что размер буфера винчестера по сравнению с памятью компьютера довольно мал, и зачастую больший вклад в работу накопителя имеет "софтовый" кеш, то есть промежуточный буфер, организованный средствами операционной системы под кэширование операций с файловой системой и находящийся в памяти компьютера.

Кеширование операций чтения и кеширование операций записи в чем-то похожи, но они также имеют и много различий. Обе эти операции, имеют своей целью увеличить общее быстродействие накопителя: это буферы между быстрым компьютером и медленной механикой накопителя. Основная разница между этими операциями состоит в том, что одна из них не изменяет данные в накопителе, в то время как другая - изменяет.

Без кеширования, каждая операция записи приводила бы к томительному ожиданию, пока головки переместятся в нужное место, и произойдет запись данных на поверхность. Работа с компьютером была бы невозможной: как мы уже упоминали ранее, эта операция на большинстве винчестеров занимала бы как минимум 10 миллисекунд, что очень много с точки зрения работы компьютера в целом, так как микропроцессору компьютера приходилось бы ждать эти 10 миллисекунд при каждой записи информации на винчестер. Самое поразительное, что существует именно такой режим работы с кешем, когда данные одновременно записываются и в кеш и на поверхность, и система ожидает выполнение обеих операций. Это называется write-through caching (сквозное кэширование). Эта технология обеспечивает ускорение работы в том случае, если в ближайшее время только что записанные данные потребуется считать обратно в компьютер, а сама запись происходит намного дольше, чем время, через которое потребуются эти данные компьютеру.

К счастью, есть более быстрый вариант работы кеша: компьютер записывает данные в накопитель, они попадают в кеш, и накопитель сразу же отвечает системе, что запись произведена; компьютер продолжает дальше работать, веря в то, что накопитель смог очень быстро записать данные, в то время как накопитель "обманул" компьютер и только записал нужные данные в кеш, и только потом начал записывать их на диск. Эта технология называется write-back caching (кэш с обратной записью).

Конечно, технология write-back кеширования увеличивает быстродействие, но, тем не менее, и у этой технологии тоже есть свой минус. Жесткий диск сообщает компьютеру, что запись уже произведена, в то время как данные находятся лишь в кеше, и только потом начинает записывать данные на поверхность. Это занимает какое-то время. Это не проблема до тех пор, пока есть питание компьютера. Т.к. память кеша - это энергозависимая память, в момент выключения питания все содержимое кеша безвозвратно теряется. Если в кеше были данные, ожидающие записи на поверхность, и в этот момент было выключено питание, данные будут потеряны навсегда. И, что также плохо, система не знает, были ли данные точно записаны на диск, т.к. винчестер уже отрапортовал, что сделал это. Таким образом, мы не только теряем сами данные, но и не знаем, какие именно данные не успели записаться, и даже не знаем, что произошел сбой. В результате может произойти потеря части файла, что приведет к нарушению его целостности, потери работоспособности операционной системы и т.д. Конечно, эта проблема не затрагивает кеширование данных при чтении.

Вследствие такого риска, на некоторых рабочих станциях не производится кеширования вообще. Современные накопители позволяют отключать режим кеширования записи. Это особо важно в приложениях, где правильность данных очень критична. Т.к. данный вид кеширования сильно увеличивает скорость работы накопителя, все-таки обычно прибегают к другим методам, которые позволяют снизить риск потери данных вследствие отключения электричества. Самый распространенный метод - это подключение компьютера к блоку бесперебойного питания. Кроме этого, все современные накопители имеют функцию "flush write cache", которая принудительно заставляет накопитель записать данные из кеша на поверхность, но, системе приходится выполнять эту команду вслепую, т.к. она все равно не знает, есть ли в кеше данные или нет. Каждый раз, когда происходит выключение питания, современные операционные системы посылают эту команду винчестеру, потом происходит посылка команды запарковать головки (хотя эту команду можно было бы и не посылать, т.к. каждый современный накопитель автоматически паркует головки при понижении напряжения ниже предельно допустимого уровня) и только после этого компьютер выключается. Это гарантирует сохранность данных пользователя и правильное выключение винчестера.

spas-info.ru

Что представляет собой буфер жесткого диска и зачем он нужен

Сегодня распространенным накопителем информации является магнитный жесткий диск. Он обладает определенным объемом памяти, предназначенным для хранения основных данных. Также в нем имеется буферная память, предназначение которой заключается в хранении промежуточных данных. Профессионалы называют буфер жесткого диска термином «cache memory» или же просто «кэшем». Давайте разберемся, зачем нужен буфер HDD на что влияет и каким обладает размером.

Буфер жесткого диска помогает операционной системе временно хранить данные, которые были считаны с основной памяти винчестера, но не были переданы на обработку. Необходимость наличия транзитного хранилища обусловлена тем, что скорость считывания информации с HDD накопителя и пропускная способность ОС значительно различается. Поэтому компьютеру требуется временно сохранять данные в «кэше», а только затем использовать их по назначению.

Непосредственно сам буфер жесткого диска представляет собой не отдельные сектора, как полагают некомпетентные компьютерные пользователи. Он является специальными микросхемами памяти, располагающимися на внутренней плате HDD. Такие микросхемы способны работать намного быстрее самого накопителя. Вследствие чего обуславливают увеличение (на несколько процентов) производительности компьютера, наблюдающееся во время эксплуатации.

Стоит отметить, что размер «cache memory» зависит от конкретной модели диска. Раньше он составлял около 8 мегабайт, причем такой показатель считался удовлетворительным. Однако с развитием технологий производители смогли выпускать микросхемы с более большим объемом памяти. Поэтому большинство современных винчестеров обладают буфером, размер которого варьируется от 32 до 128 мегабайт. Конечно, наибольший «кэш» устанавливается в дорогие модели.

Какое влияние оказывает буфер жесткого диска на производительность

Теперь расскажем, почему размер буфера винчестера оказывает влияние на производительность компьютера. Теоретически, чем больше информации будет находиться в «cache memory», тем реже операционная система будет обращаться к винчестеру. Особенно это актуально для сценария работы, когда потенциальный пользователь занимается обработкой большого количества маленьких файлов. Они попросту перемещаются в буфер жесткого диска и там ждут своей очереди.

Однако если ПК используется для обработки файлов большого размера, то «кэш» утрачивает свою актуальность. Ведь информация не сможет поместиться на микросхемах, объем которых невелик. В результате пользователь не заметит увеличения производительности компьютера, поскольку буфер практически не будет использоваться. Это происходит в случаях, если в операционной системе будут запускаться программы для редактирования видеофайлов и т. д.

Таким образом, при приобретении нового винчестера рекомендуется обращать внимание на размер «кэша» только в случаях, если планируется постоянно заниматься обработкой небольших файлов. Тогда получится действительно заметить увеличение производительности своего персонального компьютера. А если же ПК будет использоваться для обыкновенных повседневных задач или обработки файлов большого размера, тогда можно не придавать буферу обмена никакого значения.