Частотные принципы работы микросхем памяти.

Управление полем запоминающих ячеек управляется специальным тактовым генератором. Эта частота не сильно изменяется от версии памяти. Основные изменения происходят в буфере памяти, который работает синхронно с шиной памяти и влияет на скорость передачи данных(рис. 4.4). Частота работы буфера памяти приводится в характеристиках памяти (рис. 4.5).

Важным параметром является тайминг памяти, который показывает количество циклов внешней шины памяти необходимых для выполнения определенных операций в динамической памяти (например дешифрация адреса выборка информации). Идеально все единицы (рис. 4.6).

32.Память на магнитных дисках. Горизонтальных и вертикальный метод магнитной записи, основные характеристики жесткого диска.

В зависимости от формы используемого носителя эти ВЗУ подразделяются на: накопители на магнитных лентах (НМЛ) и накопители на магнитных дисках (НМД).

Информация на магнитный носитель записывается посредством создания на его поверхности магнитных неоднородностей. Для этого на материал, обладающий ферромагнитными свойствами, воздействуют магнитным полем. Под воздействием этого поля происходит изменение состояния носителя: он может быть намагничен или размагничен. Фиксация информации осуществляется благодаря способности магнитного носителя сохранять остаточную намагниченность после прекращения действия магнитного поля.

Используют два способа записи данных на магнитный диск горизонтальный и вертикальный.

Горизонтальный метод. Элементарные магнитики — магнитные домены — расположены горизонтально в плоскости магнитного диска (они показаны стрелочками с названиями полюсов S и N). Магнитная головка, проходя мимо домена, перемагничивает его, т. е. поворачивает на 180° или оставляет без видоизменения. Изменение намагничивания домена происходит только в области зазора магнитной головки, где магнитное поле максимально. Читающая головка реагирует на смену полярности у магнитных доменов.

Так как магнитные домены лежат в плоскости магнитного диска, то сделать их совсем малыми не удается. Эта технология продольной записи позволяла создавать винчестеры объемом всего в несколько гигабайт.

Вертикальный метод.Для увеличения плотности записи применяется метод вертикальной записи, когда магнитные домены располагаются перпендикулярно плоскости магнитного диска . Этот метод позволяет увеличить объем винчестера в тысячу раз. Под слоем с магнитными доменами дополнительно расположен слой с магнитомягким материалом, который равномерно распределяет магнитное поле от магнитной головки по большой зоне и не влияет на намагниченность доменов. У магнитной головки теперь уже нет магнитного зазора, а есть два полюса. Один полюс очень узкий, а второй широкий. Это позволяет перемагничивать домены только под узким полюсом, где напряжение магнитного поля максимально.

33.Структура информации на жестком диске: дорожка, цилиндр, сектор, кластер. Низкоуровневое и высокоуровневое форматирование жесткого диска(HDD).

На каждой стороне каждой пластины размечены тонкие концентрические кольца — дорожки (traks), на которых хранятся данные. Количество дорожек зависят от типа диска. Нумерация дорожек начинается с 0 от внешнего края к центру диска. Когда диск вращается головка считывает двоичные данные с магнитной дорожки или записывает их на магнитную дорожку. Совокупность дорожек одного радиуса на всех поверхностях всех пластин пакета называется цилиндром (cylinder). Каждая дорожка разбивается на фрагменты, называемые секторами (sectors), или блоками (blocks). Все дорожки имеют равное число секторов, в которые можно максимально записать одно и то же число байт. Сектор имеет фиксированный для конкретной системы размер, кратный степени двойки (чаще всего 512 байт). Сектор — наименьшая адресуемая единица обмена данными дискового устройства с оперативной памятью.

Адрес сектора состоит из: № цилиндра, номер поверхности и номер сектора.

Операционная система при работе с диском использует собственную единицу дискового пространства, называемую кластером (cluster). Кластер состоит из набора секторов. При создании файла место на диске ему выделяется кластерами.

Процесс разметки диска на дорожки и сектора называется физическим, или низкоуровневым, форматированием диска(как правило на заводе изготовителе).Низкоуровневое форматирование диска не зависит от типа операционной системы, которая этот диск будет использовать.

Процесс разметки диска на кластера под конкретный тип файловой системы называется высокоуровневым форматированием. При высокоуровневом форматировании определяется размер кластера и на диск записывается информация, необходимая для работы файловой системы:

- доступное и неиспользуемое пространство,

- границы областей, отведенные под файлы и каталоги

- информация о поврежденных областях.

34.Понятие логического раздела жесткого диска. MBR(главная загрузочная запись),последовательность загрузки системы с жесткого диска.

Логические разделы. Прежде чем форматировать диск под определенную файловую систему, он может быть разбит на разделы. Раздел — это непрерывная часть физического диска, которую операционная система представляет пользователю как логическое устройство Логическое устройство функционирует так, как если бы это был отдельный физический диск.

Логические разделы имеют имена А,В,С и т.д. На каждом логическом устройстве может создаваться только одна файловая система.

На разных логических устройствах одного и того же физического диска могут располагаться файловые системы разного типа.Все разделы одного диска имеют одинаковый размер секторов в результате низкоуровневого форматирования.

В результате высокоуровневого форматирования размеры кластеров могут быть различными для различных разделов.

Том - логическое устройство, отформатированное под конкретную файловую систему.

Загрузка системы. Сектор 0 на диске называется главной загрузочной записью - MBR(MasterBootRecord – первичный загрузчик В конце MBR содержится таблица разделов. Из этой таблицы берутся начальные и конечные адреса каждого раздела. Один из разделов в этой таблице помечается активным. При загрузке компьютера BIOS (базовая система ввода-вывода) считывает и выполняет MBR. Программа MBR, — находит расположение активного раздела, считывает его первый блок, который называется загрузочным, и выполняет его. Программа в загрузочном блоке (вторичный загрузчик) загружает операционную систему, содержащуюся в этом разделе. Для достижения единообразия каждый раздел начинается с загрузочного блока, даже если он не содержит загружаемой операционной системы. Кроме того, в будущем он может содержать какую-нибудь операционную систему.

35.Основные характеристики и организация интерфейсов жесткого диска: ATA,SATA,SCSI,SAS, Fibre Chanel.

Технические характеристики жестких дисков.

- Диаметр дисков (diskdiameter) - Наиболее распространены накопители с диаметром дисков 2.2, 2.3, 3.14 (форм – фактор 3.5 дюйма)

- Число поверхностей (sidesnumber) - их число определяет количество физических дисков, находящихся на шпинделе.

- Число цилиндров (cylindersnumber) - Это число определяет, сколько дорожек будет располагаться на одной поверхности.

- Число секторов (sectorscount) - Это общее число секторов на всех дорожках всех поверхностей накопителя. Определяет физический неформатированный объем устройства.

- Частота вращения шпинделя (rotationalspeed количество оборотов шпинделя в минуту. Может быть в пределах 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки); 5400, 5900, 7200 и 10 000 (персональные компьютеры); 10 000 и 15 000 об/мин (серверы и высокопроизводительные рабочие станции .

- Среднее время произвольного доступа (accesstime) — время от начала операции чтения до момента, когда начинается чтение данных ( от 2,5 до 16 мс) ;

- Время поиска (seektime) —доступа , которое необходимо для установки головок в нужную позицию (на дорожку, где будут производиться операции чтения/записи данных);

- Время ожидания (latency) - это время, необходимое для прохода нужного сектора к головке, Чем быстрее вращается шпиндель, тем быстрее нужный сектор подъезжает под головку. В идеале головка и нужный сектор оказываются в одной точке в одно врем

- Размер кеш-буфера контроллера (internalcashsize). Встроенный в накопитель буфер выполняет функцию упреждающего кэширования и призван сгладить большую разницу в быстродействии между дисковой и оперативной памятью компьютера.

Скорость передачи данных (datatransferrate), называемая также пропускной способностью (throughput), определяет скорость, с которой данные считываются или записываются на диск после того, как головки займут необходимое положение.мегабайтах в секунду (MBps) или мегабитах в секунду (Mbps) и является характеристикой контроллера и интерфейса. Бывает внешняя и внутренняя скорость

-Внешняя скорость передачи данных (externaldatatransferrate или burstdatatransferrate) показывает, с какой скоростью данные считываются из буфера, расположенного на накопителе в оперативную память компьютера (зависит от интерфеса SATA,SAS и др.).

- Внутренняя скорость передачи данных (internaltransferrate или sustainedtransferrate) отражает скорость передачи данных между головками и контроллером накопителя и определяет общую скорость передачи данных в тех случаях, когда буфер не используется или не влияет (например, когда загружается большой графический или видеофайл). - - Внутренняя скорость передачи данных очень сильно зависит от частоты вращения шпинделя.

- Средняя потребляемая мощность (рабочий объем устройства)( от 5 до 15 Ватт);

- Уровень шума (noiselevel), измеряется в децибеллах;

- Среднее время наработки на отказ (MTBF) - определяет, сколько в среднем времени способен проработать накопитель без сбоев;

- Сопротивляемость ударам (G-shockrating) - определяет степень сопротивляемости накопителя ударам и резким изменениям давления, измеряется в единицах допустимой перегрузки g во включенном и выключенном состоянии. Является важным показателем для мобильных систем;

- Физический и логический объем накопителей. Физический объем жестких дисков определен изначально и состоит из объема, занятого служебной информацией и объема, доступного пользовательским данным. Производители накопителей указывают объемы дисков в миллионах байт, исходя из десятичной системы исчисления, что в одном мегабайте 1 000 000 байт. Однако, программы оперирует не десятичной, а двоичной системами, полагая, что в одном килобайте не 1000 байт, а 1024. Такие разногласия в системах исчисления приводят к несоответствиям при оценке объема накопителей.

36.Принципы работы флэш памяти SLC и MLC ячейки. Архитектуры NOR и NAND.

SLC(Single Level Cell) ячейки записывают только один бит в ячейку и обеспечивает до 10 раз лучшую долговечность и до 2-х раз более высокую скорость в сравнении с MLC. Есть и один недостаток - цена накопителей на SLC памяти примерно в два раза выше чем цена накопителей на MLC памяти. Это обусловлено большими затратами на производство, а в особенности потому, что чипов SLC требуется в среднем в два раза больше для достижения того же объёма как и при использовании чипов с MLC

Многоуровневые MLC(Multi Level Cell) ячейки. Чтобы открыть транзистор с четырьмя различными зарядами на плавающем электроде надо 4 уровня порогового напряжения управляющем затворе.Тогда каждому из четырех пороговых напряжений можно поставить в соответствие комбинацию двух битов: 00, 01, 10, 11.

Архитектура NOR.Все управляющие затворы подсоединены к линии управления, которая называется линией слов (WordLine). Анализ информации ячейки памяти выполняется по уровню сигнала на стоках транзистора, которые подсоединены к линии, которая называется линией битов (BitLine).

В данной архитектуре единичное значение на битовой линии будет наблюдается только в том случае , когда значение всех ячеек, которые подключены к битовой линии, будут равны нулю (все транзисторы закрыты рис. 4.12).

Микросхема флеш-памяти с архитектурой NOR и размер ее ячейки получается большим, поэтому эта память плохо масштабируется. ). Такая архитектура накладывает серьезные ограничения на максимальный объем памяти на единице площади кристалла.Флеш-память с архитектурой NOR как правило используют в устройствах для хранения программного кода. Это могут быть телефоны, маршрутизаторы, BIOS системных плат и других ПЗУ малой емкости.

Архитектура NAND. Такую архитектуру можно построить, если подсоединить транзисторы с битовой линией не по одному (так построено в архитектуре NOR) , а последовательными сериями (столбец из последовательно включенных ячеек).

Битовая линия имеет нулевое значение в том случае, когда все подключенные к ней транзисторы открыты, и значение один, когда хотя бы один из транзисторов закрыт. Данная архитектура по сравнению с NOR хорошо масштабируется потому, что разрешает компактно разместить транзисторы на схеме. Ячейки группируются в небольшие блоки по аналогии с кластером жесткого диска. И считывание, и запись осуществляются лишь целыми блоками или строками и не имеет возможности работать на прямую с байтами информации.

Все современные съемные носители по­строены на памяти NAND (рис 4.12).

Возможны операции при обращении к флэш -памяти:

1) чтение (бесконечное число раз);

2) запись ограниченное количество раз (10000 циклов для MLC и 100 000 для SLC);

3)чтение – модификация – запись или презапись (количество раз как и при записи)

37.Организация SSD дисков. Принципы записи и чтения информации на SSD дисках. Механизмы Garbage Collection и Wear Leveling.Команда TRIMM.Характеристики SSD дисков.

Структурная организация SSD - диска. SCL и MCL ячейки объединяются в страницы по 4кб. 128 страниц объединены в блок объемом 512 КБ, а 1024 блока дают массив, представляющий 512 МБ. Вследствие особенностей построения NAND-памяти, работать с ее каждой ячейкой отдельно нельзя. Перед записью новой информации в ячейку её надо предварительно очистить(стереть) Информация записывается и читается в память блоками по 4 Кб, а стирается блоками по 512 Кб.(рис.4.13)

Запись на свободный дискДанные записываются последовательно, порциями по 4Кбайт в следующую по порядку свободную страницу флэш­памяти, заполняя тем самым блоки памяти. При этом логический адрес записываемой страницы (LBA) сопоставляется с физическим адресом (PBA), то есть с адресом расположения во флэш­памяти.Для соответствия между логическими и физическими адресами (LBA-PBA mapping) предназначена специальная таблица соответствия логических и физических адресов. Эта таблица размещается в оперативной памяти SSD-диск

Перезапись на свободный диск.Если производится перезапись данных, они последовательно записываются в следующие по порядку свободные страницы памяти, а в таблице соответствия логических и физических адресов те страницы, в которые эти данные были записаны ранее, помечаются как содержащие устаревшие данные (помечаются к удалению).

Запись на заполненный диск. При заполнении диска блоки памяти могут содержать как страницы, помеченные на удаление (страницы с устаревшими данными), так и и страницы с актуальными данными, которые удалять нельзя.

Контроллер анализирует объем записываемой информации находит блок, с содержащий необходимое количество свободных страниц и максимальное количество станиц, помеченных к удалению.

Страницы с актуальными данными из выбранного блока переносятся в пустой или резервный блок, куда дозаписываются вновь поступившие данные.

После этого информация в «старом блоке стирается» и он становится резервным, доступным для записи.

Процедуру поиска подходящего блока с масимальным количеством неиспользуемых страниц называют сбором мусора» (GarbageCollection).

Для записи всего одной страницы (4 Кбайт) приходится записывать 128 страниц (512 Кбайт) поэтому скорость записи на новый диск (на который данные никогда не записывались) и на уже заполненный диск может кардинально различаться. Вводится понятие коэффициент усиления записи (WriteAmplification), который показывает, во сколько раз больше данных приходится записывать, чем реально требуется. При записи на пустой диск коэффициент усиления записи равен единице, а при записи на заполненный диск имеет значение я от 2 до 25.

Резервные блоки. Если имеется SSD-диск, емкость которого составляет 160 Гбайт, то реально для записи доступно 160 десятичных, а не двоичных гигабайт. То есть реально емкость диска, доступная для записи, составит 160 000 000 000 байт, а не 171 798 691 840 байт, как в двоичной интерпретации. Разница между емкостью диска в двоичной и десятичной интерпретации составляет резервную область. В случае SSD-диска размером 160 Гбайт резервная область равна 11 798 691 840 байт, или примерно 11 Гбайт в двоичной интерпретации. Резервная область диска — это не отдельный выделенный участок блоков памяти. Любой блок памяти может быть и резервным, и доступным для записи.

Если запас резервных блоков исчерпан, то для временного хранения перемещаемых блоков может использоваться внутренняя динамическая кэш память контроллера

Механизм WearLeveling. WearLeveling обеспечивает равномерное использование всех ячеек памяти и как следствие повышает долговечность SSD. Контроллер SSD-диска отслеживает частоту использования различных блоков памяти. Если какие ­ то блоки памяти используются реже остальных, то он принудительно повышает частоту их использования путем перезаписи этих блоков данных в другие блоки, высвобождая их для даоьнейшего использования.

Команада TRIMM. Чем больше чистых резервных блоков, тем выше скорость работы. При удалении файлов операционная система лишь логически удаляет ненужные файлы. При этом информация о них остается в ячейках памяти на носителе. (Плюс от этого лишь в возможности восстановления данных в случае нежелательного удаления).

В SSD это становится причиной накопления так называемого «мусора», т.к. контроллеру не известно, что файл, занимающий указанные страницы, был помечен операционной системой как удаленный.

TRIM — это команда осуществляющая функцию передачи информации SSD о том, что тот или иной файл был удален.

Если операционная система и SSD-диск поддерживают команду TRIM, то при удалении некоторого файла с диска ОС посылает команду TRIM диску и дает ему знать, что данные из определенного набора страниц могут быть перезаписаны, то есть соответствующие страницы памяти помечаются к удалению и могут применяться в процедуре GarbageCollection. Команда TRIM не приводит к физическому удалению данных. С ее помощью можно увеличить количество блоков, содержащих страницы, отмеченные к удалению, и тем самым повысить эффективность процедуры GarbageCollection.

Для работы команды TRIM необходима поддержка со стороны как ОС, так и SSD-диска. Команда TRIM встроена в ОС начиная с Windows 7, а также в ядре Linux начиная с ревизии 2.6.28.

В операционной системе Windows 7 команда TRIM используется в таких операциях, как удаление файлов и форматирование.

Архитектура SSD - диска

Характеристики SSD накпителей

Тип – внутренний, внешний, внутренний/ внешний (универсальный);

Емкость;

Форм - фактор: - 1.8, 2.5, 3.5 дюйма

Интерфейс: SATA,SAS, PCIe, Thunderbolt и др. определяет внешнюю скорость передачи данных. Для SATA поддержка NCQ - NativeCommandQueuing — аппаратная установка очередности команд) — технология, использующаяся в SATA-устройствах для повышения быстродействия

Объем буфера обмена

Объём собственной оперативной памяти накопителя

Тип NAND: памяти (SLC,MLC,TLC)

Скорость записи: скорость записи данных из контроллера SSD в флэш- память для записи.

Скорость чтения: скорость чтения данных из микросхем флэш - памяти в контроллер SSD.

Скорость случайной записи блоками определенного размера : измеряется в IOPS( Input/OutputOperationsPerSecond - «ай-опс») -количество операций ввода-вывода в секунду

Поддержка TRIMM

Ударостойкость при работе параметр, определяющий стойкость накопителя к падениям и сотрясениям в процессе работы. Измеряется в G — единицах перегрузки,

Наработка на отказ : гарантированное (минимальное) время безотказной работы накопителя.

Внешний карман : внешним карманом комплектуются накопители типа «внешний/внутренний» . Технически карман представляет собой оснащённый USB-коннектором корпус, в который устанавливается собственно накопитель — таким образом внутренний накопитель можно, при необходимости, использовать как внешний.

Оптимизация работы SSD

При использовании в компьютере на SSD диск лучше установить только ОС, а файлы в которые происходит частая перезапись разместить на HDD.

Возможный вариант оптимизации при установке Windows7 на SSD:

1) Отключить другие жесткие диски во избежание проблемы с установкой системы

2) В BIOS и установить на разъеме куда подключен SSD режим AHCI (AdvancedHostControllerInterface (AHCI — механизм, используемый для подключения накопителей информации по протоколу SATA, позволяющий пользоваться расширенными функциями, такими как встроенная очередность команд (NCQ) и горячая замена)

Оптимизация работы SSD

3) В реестре отключить системный кэш Prefetch и Superfetch. Они не нужны при работе SSD накопителя. В большинстве случаев Prefetch отключается системой автоматически.

4) Отключим автоматическую дефрагментацию диска. Она уменьшает ресурс SSD накопителя. (Только для Windows 7, в Windows 8 этой функции нет, она уже используется для других функций.

5) Отключить файл подкачки(Компьютер -> Свойства -> Дополнительные параметры системы …)

6)Отключить журналирование файловой системы NTFS ( Пуск > в строке поиска вводим > нажимаем на значке програм>cmd правую кнопку мыши и выбираем > Запуск от имени администратора.В окне командной строки вводим: fsutilusndeletejournal /D C)

7)Отключить индексирование SSD(в свойствах диска системного диска (С) снимаем галочку с параметра «Разрешить индексировать содержимое файлов на этом диске в дополнение к свойствам файла» )

8) Перенести папки TEMP с твердотельного SSD на обычный HDD диск.(В свойствах компьютера выбираем>> Дополнительные параметры системы >> Дополнительно >> Переменные среды.Введем новый адрес для переменных сред TEMP и TMP, размещая их на втором жестком диске.)

9) Перенести папки пользователя (Видео, Музыка, Документы, Загрузки) на HDD жесткий диск.

38.Организация и функционирование запоминающих устройств на оптических дисках.