Фактор чередования
Первое, что вам следует сделать с жёсткими магнитными дисками нового компьютера (или с новыми дисками, установленными в старом компьютере) - выполнить низкоуровневую инициализацию или, другими словами, низкоуровневое форматирование.
Для выполнения низкоуровневой инициализации вы должны запустить специальную программу, находящуюся на дискете, поставляющейся вместе с вашим жёстким диском, или соответствующий модуль базовой системы ввода/вывода BIOS.
Ни одна из команд операционной системы MS-DOS не может выполнить низкоуровневую инициализацию жёсткого диска. Даже программа FORMAT не поможет вам в этом. Вам не обойтись без специальных программ низкоуровневой инициализации жёсткого диска.
Что делает программа низкоуровневой инициализации?
Для того, чтобы это понять, вспомним, как устроен жёсткий диск ("винчестер").
В герметично закрытом корпусе на общей оси вращаются несколько дисков, покрытых с двух сторон слоем ферромагнитного материала. Назначение этого покрытия аналогично назначению магнитного покрытия ленты в обычном бытовом магнитофоне. Сверху и снизу к дискам почти вплотную подводятся магнитные головки, также напоминающие по принципу действия магнитные головки магнитофона.
На рисунке изображен HDD с открытой крышкой, вы можете увидеть диски и головки:
Головки "парят" на воздушной подушке очень близко к поверхности дисков, как бы прочерчивая окружности. С помощью специального шагового двигателя блок головок может перемещаться в направлении к центру дисков. Так как блок головок перемещается скачкообразно, головки при их перемещении прочерчивают концентрические окружности, называемые дорожками. Совокупность всех дорожек, образуемых всеми магнитными головками, называют цилиндром.
Для нас важно то обстоятельство, что информация в жёстких дисках записывается на дорожках. Каждая дорожка однозначно определяется своим порядковым номером на диске относительного внешнего края и номером головки (так как каждая головка соответствует определённой поверхности одного из дисков, вращающихся на общей оси).
Другое важное замечание: информация записывается на дорожках не сплошным потоком (как в бытовых магнитофонах), а блоками одинаковой длины. Каждый блок содержит некоторую служебную информацию и 512 байтов собственно данных.
Блоки обычно называют секторами дорожки. Эти секторы идентифицируются своим порядковым номером относительно начала дорожки. Начало дорожки отмечается специальной меткой - маркером дорожки.
На рисунке показано расположение дорожек и секторов на поверхности одной пластины магнитного диска.
Сказанное выше касается накопителей на жёстких магнитных дисках (HDD). Гибкие диски (флоппи-диски) имеют только две рабочие поверхности. Соответственно, накопитель на гибких магнитных дисках (FDD) имеет только две магнитные головки. Информация записывается на гибкие диски также по дорожкам и секторам.
Для наглядности приведем в отдельной таблице способ нумерации дорожек, головок и секторов:
Секторы нумеруются начиная с первого, а дорожки и головки - начиная с нулевой.
Максимальное значение для дорожек, головок и секторов сильно зависит от типа HDD и магнитного носителя, а также от способа форматирования и некоторых других причин, о которых мы расскажем позже.
Как мы уже говорили, блоки данных, записанные на дорожках, содержат служебную информацию. Например, для каждого блока в области служебной информации записывается его порядковый номер, равный номеру соответствующего сектора данных.
Когда формируется структура магнитной дорожки и записываются области служебной информации?
Во время процедуры низкоуровневого форматирования.
Обратите внимание:
Низкоуровневое форматирование (или низкоуровневая инициализация, что одно и то же) формирует логическую структуру дорожки. Дорожка разделяется на сектора, для каждого сектора записывается служебная информация. Область данных размером 512 байт обычно заполняется значением 0E6h. Низкоуровневое форматирование выполняется для всех имеющихся дорожек.
Дискеты инициализируются утилитой MS- DOS FORMAT. Эта утилита выполняет низкоуровневое форматирование только для дискет. Накопители на жёстких магнитных дисках форматируются на низком уровне при помощи специальных программ.
Будьте внимательны при выполнении этой операции:
Низкоуровневое форматирование уничтожает всю информацию, записанную на магнитном носителе!
Мы долго рассказывали вам о том, как информация хранится на дисках, но пока ещё ничего не сказали о факторе чередования (Interleave Factor). Теперь, когда мы познакомились с дорожками и секторами, можно перейти к этому таинственному фактору, так сильно влияющему на быстродействие диска.
Обычно сектора на дорожке располагаются в порядке возрастания их порядковых номеров. Сначала идет первый сектор, за ним второй и так далее. Предположим теперь, что программа желает прочитать с диска два сектора, имеющих соседние порядковые номера, например, первый и второй.
Процедура чтения заключается в том, что контроллер диска устанавливает головки на нужную дорожку и начинает сканировать подряд все сектора для того чтобы найти требуемый сектор. В нашем случае этот сектор имеет первый номер. Контроллер при поиске пользуется номером сектора, записанным в области служебной информации.
После того, как головка окажется над искомым сектором, начинается процесс считывания данных (512 байт) и записи этих данных в оперативную память компьютера. Как только все данные записаны в память, компьютер выдает контроллеру команду чтения следующего сектора (в нашем случае это сектор с номером два).
Однако пока контроллер записывал данные в память компьютера, пока компьютер выдавал команду на чтение следующего сектора, диск, разумеется, продолжал вращаться! И если производительность контроллера диска недостаточна, к моменту начала чтения второго сектора головка уже может проскочить управляющую запись второго сектора. Поэтому следующий сектор, который обнаружит контроллер, будет иметь номер три.
Теперь контроллер будет ждать, пока диск повернётся на один оборот, и только затем он сможет прочитать второй сектор. Таким образом, если программа будет читать несколько секторов с последовательными номерами (а она обычно так и делает) на чтение каждого сектора будет затрачено время, равное времени оборота диска!
Например, если дорожка диска содержит 17 секторов, для чтения всей дорожки потребуется 17 оборотов диска вместо одного.
Как можно улучшить временные характеристики?
Например, можно располагать секторы через один (см. рисунок):
Когда секторы располагаются последовательно в порядке возрастания их номеров, фактор чередования секторов равен 1. Когда чередуются через один - фактор чередования равен 2.
В таком случае после чтения одного сектора будет достаточно времени для чтения следующего, и вся дорожка может быть считана за 2 оборота диска. Это уже намного лучше.
Описанная выше ситуация встречается особенно часто на малопроизводительных машинах XT и AT, использующих дисковый контроллер ST506/412. Поэтому если вы пользуетесь такой машиной, не упускайте случая увеличить производительность диска в несколько раз.
В настоящее время существуют три главных направления развития персональных компьютеров и, соответственно, три преобладающих на рынке типа персональных компьютеров:
Первый персональный компьютер фирмы IBM - IBM PC - использовал процессор 8088, работающий с тактовой частотой 4,75 мегагерц. Он не имел жёсткого диска, вся его дисковая память ограничивалась двумя дисководами для флоппи-дисков. Кроме того, в первых моделях был установлен монохромный видеоадаптер, который не мог работать в графическом режиме.
Но тем не менее этот первый компьютер во многом определил направления развития всех персональных компьютеров и стал первым мировым стандартом для персональных компьютеров.
Следующая модель компьютера фирмы IBM называлась IBM XT. От IBM PC его отличало прежде всего наличие жёсткого диска объёмом 10 мегабайт (по тем временам это был диск огромной ёмкости).
Но самую большую популярность получила следующая модель компьютера фирмы IBM - IBM AT. В этом компьютере был установлен новый процессор фирмы Intel 80286, использовался жёсткий диск объёмом 20 мегабайт, появилась расширенная память, часы реального времени, работающие от аккумулятора и многие другие новшества.
У IBM появилось много подражателей. Разные фирмы выбросили на рынок огромное количество моделей компьютеров, совместимых с моделями IBM XT и IBM AT. Эти копии отличались от оригиналов более низкой стоимостью и иногда более высоким быстродействием. К сожалению, надежность IBM-совместимых компьютеров была не очень высока (по сравнению с надёжностью компьютеров, выпускаемых самой фирмой IBM), а IBM-совместимость не всегда была полной.
После появления 32-разрядного процессора Intel 80386 фирма IBM выпустила серию компьютеров PS/2. Было разработано несколько моделей, имеющих разные номера, разные процессоры и разные возможности. Модель 30 была во многом похожа на IBM AT, модель 80 была сделана на базе процессора 80386 и обладала высокой производительностью.
В настоящее время многие фирмы выпускают персональные компьютеры на базе процессоров 80386 и 80486. Такие компьютеры часто называют супер-AT, хотя, конечно, все они имеют свои названия. Например, один из самых быстродействующих и надёжных компьютеров называется COMPAQ-386. Как следует из названия, он создан фирмой Compaq.
Компьютеры фирмы APPLE мало распространены в странах СНГ, в основном из-за их высокой стоимости. Мы не будем подробно останавливаться на них, отметим только, что эти компьютеры обладают большой производительностью и имеют отличные видеомониторы с высокой разрешающей способностью. Компьютеры фирмы APPLE программно несовместимы с серией IBM PC, так как они используют процессоры серии 68XXX фирмы Motorola.
Рабочие станции фирм HEWLETT PACKARD и SUN являются лидерами по производительности среди всех типов персональных компьютеров. Это стало возможным благодаря использованию в них процессоров с новой архитектурой - RISC и SPARC.
Архитектура RISC (Reduced Instruction Set Computer - компьютеры с сокращенным набором команд) предполагает не только сокращение до минимума количества используемых команд, но и выполнение практически всех команд за 1-2 машинных такта. Благодаря этому RISC-процессоры обладают громадным быстродействием.
Ещё большее быстродействие имеют процессоры с архитектурой SPARC (Scalable Processor Architecture - масштабируемая архитектура процессора).
К сожалению, стоимость высокопроизводительных рабочих станций достаточно велика - до сотни тысяч долларов. Эти машины используются либо для решения задач автоматизированного проектирования, либо в качестве серверов локальных сетей персональных компьютеров.
Современные дисковые контроллеры IDE, ESDI и SCSI содержат, как правило, быстродействующий электронный буфер, в который синхронно с вращением диска копируется информация, прочитанная с дорожки. Запись информации на диск также выполняется с использованием промежуточного буфера. Поэтому в таких случаях при низкоуровневом форматировании необходимо задавать фактор чередования равным единице - такой контроллер всегда успеет прочитать или записать всю дорожку за один оборот диска.
Все программы низкоуровневого форматирования дисков запрашивают у оператора фактор чередования. Смысл фактора чередования очень прост - он равен количеству оборотов диска, за которое можно последовательно в порядке возрастания номеров секторов прочитать одну дорожку. Если секторы расположены подряд в порядке возрастания номеров, при достаточном быстродействии контроллера диска можно прочитать дорожку за один оборот диска. Если фактор чередования равен двум, потребуется два оборота (даже при высоком быстродействии контроллера диска).
А что делать, если HDD вашего компьютера уже используется и содержит важные данные, которые вам не хотелось бы терять в результате выполнения низкоуровневого форматирования? Есть выход и из этой ситуации. Существуют программы, позволяющие изменить фактор чередования диска без потерь записанной на нём информации. Это такие программы, как CALIBRAT из пакета Norton Utilities и утилита SPINRITE.
Далее в этой главе мы расскажем о том, как определить в каждом конкретном случае оптимальное значение фактора чередования и оптимизировать диск по этому параметру. А сейчас продолжим перечисление причин, по которым обычно снижается производительность дисковой подсистемы компьютера.
