Лекция 4 Структурные элементы ЭВМ Постоянные запоминающие

Лекция 4 § Структурные элементы ЭВМ Постоянные запоминающие устройства (ПЗУ)

История систем хранения данных (СХД) Первый шаг на пути к созданию современных СХД был сделан в конце XVIII века французом Жозеф-Мари Жаккардом, который изобрел перфокарты для управления вышивальным станком.

История систем хранения данных (СХД) Вместе с выходом первого американского коммерческого компьютера UNIVAC I (1951) в ITиндустрии началась эра магнитной пленки. Первопроходцем, как водится, снова стала IBM, потом «подтянулись» другие. В 1963 году IBM представила первый винчестер со съемным диском – IBM 1311. Он представлял собой набор взаимозаменяемых дисков. Набор состоял из шести дисков диаметром 14 дюймов, вмещавших до 2 Мб информации.

История систем хранения данных (СХД) 1970 – Дискеты 1976 – ROM картриджи 1982 – CD-ROM 1995 – Flash карты 1996 – DVD-ROM 2000 – USB Flash 2008 – SSD-накопители

Жесткий диск (Hard Disk Drive HDD) v. Накопитель на жестких магнитных дисках, жесткий диск, или винчестер (Hard Disk Drive, HDD) — энергонезависимое, перезаписываемое внешнее запоминающее устройство высокой емкости. v. Информация на жесткий диск записывается на жесткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. Привод может содержать несколько таких пластин на одной оси, на которых организована структура концентрических окружностей — цилиндров и секторов.

Жесткий диск (Hard Disk Drive HDD)

Ключевые параметры жестких дисков Интерфейс жесткого диска Интерфейс состоит из линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и протоколов (правил) обмена. Современные накопители могут использовать следующие интерфейсы: § параллельная шина ATA (AT Attachment) или PATA (Parallel ATA); § последовательная шина SATA (Serial ATA); § SCSI (Small Computer System Interface); § последовательная шина SAS (Serial Attached SCSI); высокоскоростной последовательный интерфейс IEEE-1394; § USB (Universal Serial Bus); § оптоволоконная или коаксиальная среда передачи данных Fiber Cannel.

Ключевые параметры жестких дисков v Емкость (Capacity) — количество данных, которые могут храниться накопителем. Емкость современных устройств превышает 4 ТБ. v Формфактор — описывает размеры жесткого диска (а также устройств внешней памяти других типов). Жесткие диски персональных компьютеров и серверов имеют типоразмер 3, 5 «, портативных ПК 2, 5". v Время произвольного доступу (Random Access Time) — значение параметра находится в пределах от 3 до 15 нс. v Скорость вращения шпинделя (Spipdle Speed) — количество оборотов шпиндельного двигателя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость передачи данных. Стандартные значения этого параметра — 4200, 3400 и 7200 (для ноутбуков), 7200 и 10 000 (для персональных компьютеров), 10 000 и 15 000 обор. /мин. (для серверов). v Надежность (Reliability) — определяется как среднее время наработки на отказ MTBF (Mean Time Between Failures).

Ключевые параметры жестких дисков v S. M. A. R. T (Self Monitoring Analyzing and Reporting Technology) — технология оценки состояния жесткого диска встроенной аппаратурной самодиагностики, а также механизм предсказания времени выхода его из строя. v Количество операций ввода-вывода в секунду — значение параметра измеряется в количествах операций доступа в секунду. v Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. v Сопротивляемость ударам (G-shoi. Ht, rating) — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или удара. Измеряется в единицах допустимой перегрузки «g» во включенном и выключенном состоянии. v Скорость передачи данных (Transfer Rate) — измеряется в Байт/с. Значение этого параметра во внутренней и внешней частях жесткого диска различны.

Пример Жесткий диск Western Digital Caviar Blue SATA 500 Gb Название продукта HDD SATA 500 Gb Western Digital Caviar Blue, 7200 rpm, 16 MB cache, SATA 6 Gb/s Модель WD 5000 AAKX Емкость 500 Гб Формат HDD 3. 5" Скорость вращения шпинделя 7200 оборотов/мин. Буфер HDD 16 Мб Интерфейс HDD SATA 6 Gb/s Пропускная способность интерфейса 6 Гбит/сек Уровень шума 2. 9 Бел в режиме Idle, 3. 0 Бел в режиме Performance seek Максимальные перегрузки 30 G длительностью 2 мс при чтении/записи, 350 G длительностью 1 мс в выключенном состоянии MTBF 650 тыс. часов Потребление энергии 5. 6 Вт в режиме Idle, 6. 0 Вт при чтении/записи, 0. 9 Вт в режимах Standby и Sleep Размеры(шхвхг) 101. 6 x 25. 4 x 147 мм Рабочая температура 0 ~ 60°C

Наиболее распространенные типы интерфейсов жестких дисков SCSI (Small Computer Systems Interface) SCSI-1, SCSI-2, SCSI-3, Ultra-2 SCSI, Ultra-320 SCSI, Ultra-640 SCSI PATA (Parallel ATA) ATA-1, ATA-2, … , ATA-8 SATA (Serial ATA) SATA/150, SATA/300, SATA/600, e. SATA , m. SATA NL SATA (Enterprise Near Line), m. SATA SAS (Serial Attached SCSI) FC (Fibre Channel) USB (Universal Serial Bus)

Интерфейс SCSI-1 SCSI-2 SCSI-3 Ultra-2 SCSI восьмибитная шина, с пропускной способностью в 3, 5 МБайт/сек в асинхронном режиме и 5 МБайт/сек в синхронном режиме Ultra-3 SCSI Использует LVDS. Максимальная длина кабеля - 12 метров, пропускная способность - до 80 МБайт/сек. Ultra-320 SCSI Ultra-640 SCSI Fast SCSI и Wide SCSI. Fast SCSI характеризуется удвоенной пропускной способностью (до 10 МБайт/сек). Wide SCSI имеет удвоенную разрядность шины (16 бит), что позволяет достичь скорости передачи до 20 МБ/сек. Пропускная способность шины 20 МБайт/сек для восьмибитной шины и 40 МБайт/сек - для шестнадцатибитной Имеет удвоенную пропускную способность (по сравнению с Ultra-2 SCSI), которая составила 160 МБайт/сек. В этот стандарт было добавлено использование CRC (Cyclic Redundancy Check), исправление ошибок. Развитие стандарта Ultra-3 с удвоенной скоростью передачи данных (до 320 МБайт/сек). Также известен под названием Fast Ultra-320. Удвоенная пропускная способность (640 МБайт/сек). Не получил большого распространения, т. к. поддерживает всего 2 устройства на шлейфе.

SATA Последовательный интерфейс обмена данными с накопителями информации. SATA является развитием интерфейса ATA, который после появления SATA был переименован в PATA. SATA Revision 1. 0 , SATA I, SATA/150 (до 1, 5 Гбит/с) Первоначально стандарт SATA предусматривал работу шины на частоте 1, 5 ГГц, обеспечивающей пропускную способность приблизительно в 150 МБ/с. Пропускная способность SATA/150 незначительно выше, чем у шины UDMA/133. Главным преимуществом SATA перед PATA является использование последовательной шины вместо параллельной. Несмотря на то, что последовательный способ обмена принципиально медленнее параллельного, в данном случае это компенсируется возможностью работы на более высоких частотах за счет большей устойчивости кабеля к помехам. Достигается это меньшим числом проводников и объединением информационных проводников в 2 витые пары, экранированные заземлёнными проводниками. SATA Revision 2. 0, SATA II, SATA/300 (до 3 Гбит/с) Стандарт SATA/300 работает на частоте 3 ГГц, обеспечивает пропускную способность до 300 МБ/с. Весьма часто стандарт SATA/300 называют SATA II. Теоретически SATA/150 и SATA/300 устройства должны быть совместимы за счёт поддержки согласования скоростей, однако для некоторых устройств и контроллеров требуется ручное выставление режима работы. Стандарт SATA предусматривает возможность увеличения скорости работы до 600 МБ/с. SATA Revision 3. 0 , SATA III, SATA/600 (до 6 Гбит/с) Спецификация SATA Revision 3. 0 предусматривает пропускную способность до 6 Гбит/с (600 Мбайт/с для данных с учетом 8 b/10 b кодирования). В числе улучшений SATA Revision 3. 0 по сравнению с предыдущей версией спецификации, помимо более высокой скорости, можно отметить улучшенное управление питанием. Также сохранена совместимость, как на уровне разъёмов и кабелей SATA, так и на уровне протоколов обмена.

Дальнейшее развитие SATA Revision 3. 1, m. SATA, mini-PCI-E (до 6 Гбит/с) m. SATA (mini-SATA) - форм фактор SSD, предназначенных для установки в нетбуки, планшеты и непосредственно на материнские платы настольных компьютеров. Внешне SSD такого формата и слот для него геометрически идентичны с картой расширения и, соответственно, слотом формата mini-PCIe, но электрическая совместимость возможна только в том случае, если производитель нетбука или материнской платы сообщает о ней в явной форме, т. е. слот mini-PCIe может как поддерживать SSD формата m. SATA, так и нет, а в слоте, предназначенном исключительно для m. SATA дисков mini-PCIe карты работать не будут. Не стоит путать этот интерфейс с разъёмом micro. SATA для 1. 8" SSD и HDD

SAS Интерфейс SAS или Serial Attached SCSI обеспечивает подключение по физическому интерфейсу, аналогичному SATA, устройств, управляемых набором команд SCSI. По сравнению с SATA, SAS обеспечивает более развитую топологию, позволяя осуществлять параллельное подключение одного устройства по двум или более каналам. Также поддерживаются расширители шины, позволяющие подключить несколько SAS устройств к одному порту.

SATA vs SAS Особенности SATA q Дешевле и доступнее SAS-дисков, q Обеспечивает приемлемые скорости передачи данных (до 6 Гбит/с), q Обеспечивает возможность объединения в дисковые массивы (RAID), q Используется как ПЗУ в подавляющем большинстве рабочих станций, промышленных компьютеров, во многих СХД. Особенности SAS q Значительно дороже SATA-дисков, q Обеспечивает скорости передачи данных до 6 Гбит/с, q Обеспечивает возможность объединения в дисковые массивы (RAID), q SAS-диски имеют скорость вращения шпинделя в 10000 и 15'000 оборотов в минуту против 7'200 максимальной скорости у IDE/SATA дисков, q Самое основное преимущество SAS – ОЧЕРЕДЬ ЗАПРОСОВ, q Используется как ПЗУ в большинстве серверов и СУБД.

Преимущество SAS Что означает ОЧЕРЕДЬ ЗАПРОСОВ на практике? Пример: 100 пользователей работают с базой данных. Каждый пользователь пытается считать свои данные. Данные пользователей, разумеется, разбросаны по поверхности дисков. Для современных дисков самое большое время — это время позиционирования головки, и для считывания 100 блоков данных в разных местах диска головка 100 раз будет перемещена в произвольное место диска. Именно когда несколько процессов одновременно работают с диском пользователь и слышит характерное «шуршание» диска, обычно сопровождающее ощутимые замедления работы компьютера при перегрузке диска операциями. SAS-диск поступит умнее — он отсортирует эти 100 запросов в том порядке, в котором _ему_ их удобнее обрабатывать (с учётом того, какие данные или часть их уже есть в кэше и где в настоящий момент находится головка диска) и сделает один проход по поверхности диска, вместо псевдослучайных «дёрганий» считывающей головкой у SATA-диска. Вывод: При параллельном доступе к диску множеством процессов увеличение производительности в разы, а иногда на порядки.

RAID и его типы RAID (англ. redundant array of independent disks — избыточный массив независимых жестких дисков) Массив из нескольких дисков, управляемых контроллером, взаимосвязанных скоростными каналами и воспринимаемых внешней системой как единое целое. В зависимости от типа используемого массива может обеспечивать различные степени отказоустойчивости и быстродействия. Служит для повышения надёжности хранения данных и/или для повышения скорости чтения/записи информации Калифорнийский университет в Беркли представил следующие уровни спецификации RAID, которые были приняты как стандарт де-факто: RAID 0 представлен как дисковый массив повышенной производительности, без отказоустойчивости. RAID 1 определён как зеркальный дисковый массив. RAID 2 зарезервирован для массивов, которые применяют код Хемминга. RAID 3 и 4 используют массив дисков с чередованием и выделенным диском чётности. RAID 5 используют массив дисков с чередованием и "невыделенным диском чётности". RAID 6 используют массив дисков с чередованием и двумя независимыми "чётностями" блоков. RAID 10 — RAID 0, построенный из RAID 1 массивов RAID 50 — RAID 0, построенный из RAID 5 RAID 60 — RAID 0, построенный из RAID 6

RAID и его типы

RAID и его типы

Разновидности СХД и их особенности JBOD (англ. Just a bunch of disks, просто пачка дисков) — RAID-массив дисков, в которых дисковое пространство распределено по жёстким дискам последовательно. DAS (англ. Direct-attached storage) Прямо подключенное хранилище - является запоминающим устройством, непосредственное подключенным к серверу или рабочей станции без помощи сети хранения данных. Способы подключения могут быть различны, SAS, SATA, SCSI, FC NAS (англ. Network Attached Storage) — сетевая система хранения данных, сетевое хранилище. Зачастую представляет собой просто сервер с подключенным к нему DAS. На рынке также присутствуют и специализированные устройства NAS, отличающиеся большим функционалом и автономностью, нежели серверы. SAN (англ. Storage Area Network, сеть хранения данных) — cпредставляет собой архитектурное решение для подключения внешних устройств хранения данных к серверам.

Разновидности СХД и их особенности

Решения по СХД прямого подключения DAS хранению данных v Система хранения DAS подключается непосредственно к клиенту (компьютеру/серверу) без организации промежуточной сети хранения данных. v Распространенным примером DAS является приложение к файловому серверу. При таком решении клиенты в сети должны получить доступ к серверу для того, чтобы соединиться с устройством хранения данных.

Решения по хранению Оптимизация СХД прямого подключения DASданных Возможно упрощение управления системой хранения данных путем её отделения от сервера приложений в самостоятельный сегмент

Необходимость сетевых хранилищ данных § Для упорядоченного и централизованного хранения совместно используемых данных; § Для возможности легкого наращивания объема хранилищ; § Для избыточности и резервного копирования; § Для повышения готовности и доступности данных; § Для повышения надежности и производительности СХД; § Для оптимизации расходов на СХД; § Для централизованной защиты данных.

Сетевое хранилище данных (Network Attached Storage - NAS) v Сетевое хранилище данных NAS предоставляет файловый доступ компьютерам и серверам, в том числе и при смешанной (гетерогенной) сетевой структуре. v NAS использует сетевую инфраструктуру для организации обмена файлами между клиентами. v NAS для организации файлового доступа использует, как правило, стек TCP/IP и протоколы Network File System (NFS), Common Internet File System (CIFS)/Server Message Block (SMB).

Преимущества сетевых накопителей NAS § Оптимальное по соотношению цена/качество решение для SOHO/SMB сетей; § Обмен файлами частных сеть через Интернет с помощью протоколов FTP, HTTPS; § Гибкие возможности для роста массивов; § Простота установка, настройки, обслуживания; § Управление квотами и правами пользователей и групп (размер, чтение/запись); § Дополнительные сервисы (принт-сервер, UPn. P AV сервер, i. Tunes и т. д. ).

Пример NAS Сетевой накопитель NAS D-Link DNS-325 (1200 Mhz processor) Интерфейсы • 1 порт Gigabit Ethernet • USB принт-сервер Возможности • 4 конфигурации жестких дисков (Standard, JBOD, RAID 0, RAID 1) • i. Tunes и UPn. P AV сервер Поддерживаемые типы дисков • Scandisk • До 2 х SATA II 3, 5 дюймовых диска по 2 ТБ • Предупреждения по e-mail • Управление питанием • Дефрагментаци • Поддержка Bit. Torrent • Встроенный медиа-сервер DLNA Сетевые функции • DDNS • FTP • DHCP Server/ Client • HTTP/ HTTPS • CIFS/SMB

Сеть хранения данных (Storage Area Network - SAN) v Представляет собой логически высокопроизводительную сеть по накоплению и хранению данных, которая передает информацию блоками между серверами и устройствами хранения. SAN логически отделена от основной компьютерной сети и не влияет на ее трафик. v В SAN устройства хранения данных (DAS, NAS, RAID массивы) подключены к серверам, используя Fibre Channel или SCSI/i. SCSI. v Особенности SAN: - Виртуализация; - Высокая производительность; - Инкапсуляция в протокол SCSI.

DAS vs NAS vs SAN Система DAS Система NAS Система SAN Подключена к серверам через выделенную сеть хранения данных Напрямую подключена к клиенту Подключена к серверам и рабочим станциям через общую сеть Медленный доступ к данным, по сравнению с SAN Быстрый доступ к данным, зависит от сетевой скорости Быстрый доступ к данным, зависит от протокола Прямая передача данных Файловая передача данных Блоковая передача данных Данные передаются посредством протокола SCSI Данные передаются посредством NFS/CIFS/SMB Данные передаются посредством Fibre. Channel/i. SCSI

Пример SAN-система IBM System Storage DS 3400 §Дисковый интерфейс: SAS/SATA II; §Интерфейс хоста: Fibre Channel (FC) 4 GB; §Поддержка SAN: поддержка FC-коммутаторов (IBM); §Контроллер: до двух 4 GB FC RAID-контроллеров (второй для резервирования с возможностью горячей замены); §Кэш контроллера: 512 Мб с резервным питанием от аккумулятора (до 1 Гб); §Максимальная емкость: 3. 6 TB (SAS); §Максимальное число дисков: 12 (48 при использовании 3 дисковых полок EXP 3000); §Емкость дисков: до 300 Гб (SAS), до 750 Гб (SATA II); §Уровни RAID: 0, 1, 3, 5, 10; §Поддержка операционных систем Windows, Linux и Netware; §Поддержка кластеров: Microsoft Windows MSCS; §Питание: 2 блока питания с 2 -мя вентиляторами охлаждения в каждом (что обеспечивает резервирование по питанию и охлаждению); §Форм-фактор 2 U для установки в стойку 19";

Примеры использования SAN Использование SAN в качестве загрузчика ОС для серверов v Большинство систем SAN имеют опцию загрузки операционных систем для серверов. Нет необходимости использовать специальный загрузочный диск для загрузки операционной системы сервера. v Загрузка с SAN позволяет организациям централизовать процесс загрузки оборудования и консолидировать ресурсы, с помощью тонких и blade-серверов.

Примеры использования SAN Использование SAN для кластеризации серверов v Кластер серверов - это группа серверов, работающих с одной задачей в качестве одного виртуального сервера. v Кластеризации серверов предотвращает единичный сбой, при котором, если один из серверов недоступен, другой сервер заменит его, взяв на себя его задачи. v В этом случае новый сервер будет работать с теми же дисками на SAN.

Примеры использования SAN Использование SAN в системах видеонаблюдения Данные видеозахвата с камер хранятся непосредственно на SAN

Flash-память Флеш-память (flash memory) — разновидность полупроводниковой технологии электрически перепрограммируемой памяти (EEPROM). Благодаря компактности, дешевизне, механической прочности, большому объёму, скорости работы и низкому энергопотреблению, флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах и носителях информации.

История появления Название «флеш» было придумано в Toshiba Сёдзи Ариидзуми, потому что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash). Масуока представил свою разработку на IEEE 1984 International Electron Devices Meeting (IEDM), проходившей в Сан-Франциско, Калифорния. В 1988 году Intel выпустила первый коммерческий флеш-чип NOR-типа. NAND-тип флеш-памяти был анонсирован Toshiba в 1989 году на International Solid-State Circuits Conference.

Принцип действия Основан на изменении и регистрации электрического заряда в изолированной области ( «кармане» ) полупроводниковой структуры. Изменение заряда ( «запись» и «стирание» ) производится приложением между затвором и истоком большого потенциала. Чтение выполняется полевым транзистором, для которого карман выполняет роль затвора. Потенциал плавающего затвора изменяет пороговые характеристики транзистора, что и регистрируется цепями чтения.

Виды флеш-памяти NOR и NAND Конструкция NOR использует классическую двумерную матрицу проводников, в которой на пересечении строк и столбцов установлено по одной ячейке. При этом проводник строк подключался к стоку транзистора, а столбцов — ко второму затвору. Исток подключался к общей для всех подложке. В такой конструкции было легко считать состояние конкретного транзистора, подав положительное напряжение на один столбец и одну строку. Конструкция NAND — трёхмерный массив. В основе та же самая матрица, что и в NOR, но вместо одного транзистора в каждом пересечении устанавливается столбец из последовательно включенных ячеек. В такой конструкции получается много затворных цепей в одном пересечении. Плотность компоновки можно резко увеличить (ведь к одной ячейке в столбце подходит только один проводник затвора), однако алгоритм доступа к ячейкам для чтения и записи заметно усложняется.

Область применения Существует два основных применения флеш-памяти: как мобильный носитель информации и как хранилище программного обеспечения ( «прошивки» ) цифровых устройств. Зачастую эти два применения совмещаются в одном устройстве.

Благодарю за внимание