Что такое кэш память на жёстком диске. Кэширование дисков
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.
Издаваемого жестким диском.
Также не обошли стороной интерфейс HDD, где было рассмотрено основные особенности и отличия интерфейса SATA и устаревшего IDE. И конечно же не забыли, пожалуй, самую главную характеристику - это объем жесткого диска .
В этом материале мы поговорим относительно оставшихся характеристик жестких дисков, которые не менее важны нежели вышеуказанные.
Форм-фактор жесткого диска
На данный момент, широко распространены два форм-фактора жестких дисков – это 2,5 и 3,5 дюйма. Форм-фактором, в большей мере, определяются габариты жестких дисков. К слову, в жесткий диск 3,5”, помещается до 5-ти пластин накопителя, а в 2,5” – до 3-х пластин. Но в современных реалиях это не является преимуществом, так как разработчики определили для себя, что устанавливать более 2-ух пластин в обычные высокопроизводительные жесткие диски – не целесообразно. Хотя, форм-фактор 3,5” совсем не намерен сдаваться и по уровню спроса уверенно перевешивает 2,5” в десктопном сегменте.
То есть для настольной системы, пока есть смысл приобретать только 3,5”, так как среди преимуществ данного форм-фактора, можно отметить более низкую стоимость за гигабайт пространства, при большем объёме. Это достигается за счет большей, по размеру пластины, которая при одинаковой плотности записи вмещает больший объем данных нежели 2,5”. Традиционно, 2,5” всегда позиционировался как форм-фактор для ноутбуков, в большей мере благодаря своим габаритам.
Существуют и другие форм-факторы. К примеру, во многих портативных устройствах используются жесткие диски форм-фактора 1,8”, но на них мы детально останавливаться не будем.
Объём кэш-памяти жесткого диска
Кэш-память – это специализированное ОЗУ, которое выступает в роли промежуточного звена (буфера), для хранения данных, которые уже считаны с жесткого диска, но еще не были переданы непосредственно на обработку. Само наличие буфера было вызвано существенной разницей в скорости работы между остальными компонентами системы и жестким диском.
Как таковой характеристикой кэш-памяти HDD, является объем. На данный момент наиболее популярны жесткие диски с буфером 32 и 64 МБ. На самом деле, покупка жесткого диска с большим объемом кэш-памяти, не даст двухкратного увеличения производительности, как это может показаться исходя из классической арифметики. Более того, тестирования показали, что преимущество у жестких дисков с кэшем 64 Мб, проявляется довольно редко и только при выполнении специфических задач. Поэтому, по-возможности стоит приобрести жесткий диск с более объемной кэш-памятью, но если это будет идти в значительный ущерб ценнику, то это не тот параметр, на который следует ориентироваться в первую очередь.
Время произвольного доступа
Показатель времени произвольного доступа жесткого диска характеризует время, за которое винчестер гарантированно проведет операцию чтения в любом месте жесткого диска. То есть за какой промежуток времени, головка чтения сможет добраться до самого отдаленного сектора жесткого диска. Это, в большей мере, зависит от ранее рассмотренной характеристики скорости вращения шпинделя жесткого диска. Ведь, чем больше скорость вращения, тем быстрее головка может добраться до нужной дорожки. В современных жестких дисках этот показатель составляет от 2 до 16 мс.
Остальные характеристики HDD
Теперь тезисно и вкратце перечислим оставшиеся характеристики жестких дисков:
- Потребление энергии – потребляют жестки диски совсем немного. При чем, зачастую указывается максимальная потребляемая мощность, которая имеет место быть, только на промежуточных этапах работы во время пиковой загрузки. В среднем – это 1,5-4,5 Вт;
- Надежность (MTBF) – так называемое время наработки на отказ;
- Скорость передачи данных – с внешней зоны диска: от 60 до 114 Мб/c, а с внутренней – от 44,2 до 75 Мб/с;
- Количество операций ввода-вывода в секунду (IOPS) – у современных жестких дисков этот показатель составляет около 50/100 оп./c, при произвольном и последовательном доступе.
Вот мы и рассмотрели все характеристики жестких дисков с помощью небольшой серии статей. Естественно, что многие параметры пересекаются и, в некоторой мере, влияют друг на друга. Но, зато на основе информации относительно всех этих параметров, можно смоделировать для себя будущее устройство, и при выборе, четко понимать, какой из моделей следует отдать преимущество в вашем частном случае.
А вот такие игрушки могут получиться из старых жестких дисков, вернее из составляющих жесткого диска. К примеру, колеса сделаны из шпиндельного двигателя винчестера, который приводит в движение ось с головкой считывания.
Очень важной, специфической формой буферизации является кэширование . Этот термин означает использование сравнительно небольшой по объему, но быстродействующей памяти для того, чтобы уменьшить количество обращений к более медленной памяти большого объема.
Идея кэширования основывается на так называемой гипотезе о локальности ссылок . Эта гипотеза заключается в следующем. Если в какой-то момент времени произошло обращение к определенному участку данных, то в ближайшее время можно с высокой вероятностью ожидать повторения обращений к тем же самым данным или же к соседним участкам данных. Конечно, локальность ссылок нельзя считать законом, однако практика показывает, что эта гипотеза оправдывается для подавляющего большинства программ.
В современных вычислительных системах может использоваться несколько уровней кэширования. В данном курсе не рассматривается аппаратный кэш процессора, позволяющий сократить число обращений к основной памяти за счет использования быстродействующих регистров. К работе ОС более прямое отношение имеет программное кэширование устройств произвольного доступа (дисковых накопителей). В этом случае гипотезу о локальности ссылок можно переформулировать более конкретно: если программа выполнила чтение или запись данных из некоторого блока диска, то весьма вероятно, что в скором будущем последуют еще операции чтения или записи данных из того же блока.
В роли быстродействующей памяти (кэша) здесь выступает массив буферов, размещенный в системной памяти. Каждый буфер состоит из заголовка и блока данных, соответствующего по размеру блоку (сектору) диска. Заголовок буфера содержит адрес блока диска, копия которого в данный момент содержится в буфере, и несколько флагов, характеризующих состояние буфера.
Когда система получает запрос на чтение или запись определенного блока данных диска, она прежде всего проверяет, не содержится ли в данный момент копия этого блока в одном из буферов кэша. Для этого требуется выполнить поиск по заголовкам буферов. Если блок найден в кэше, то обращение к диску выполняться не будет. Вместо этого данные читаются из буфера или, соответственно, записываются в буфер. В случае записи данных следует также в заголовке буфера отметить с помощью специального флага, что буфер стал «грязным », т.е. его содержимое не соответствует данным на диске.
Если требуемый блок диска не найден в кэше, то для него должен быть выделен буфер. Проблема в том, что общее количество буферов кэша ограничено. Чтобы отдать один из них под требуемый блок, надо «вытеснить» из кэша один из блоков, которые там хранились. При этом, если вытесняемый блок «грязный», то он должен быть «очищен», т.е. записан на диск. При вытеснении «чистого» блока никаких операций с диском выполнять не надо.
Какой из блоков, хранящихся в кэше, следует выбрать для вытеснения, чтобы сократить общее количество обращений к диску? Это крайне важный вопрос, и если он будет решаться неправильно, то вся работа системы может затормозиться из-за постоянных обращений к диску.
Имеется теоретически оптимальное решение данной задачи, которое заключается в следующем. Число обращений к диску будет минимально, если каждый раз выбирать для вытеснения тот блок данных, к которому в будущем дольше всего не будет обращений. К сожалению, воспользоваться этим правилом на практике невозможно, так как последовательность обращений к блокам диска непредсказуема. Данный теоретический результат полезен только как недостижимый идеал, с которым можно сравнивать результаты применения более реалистичных алгоритмов выбора.
Среди алгоритмов, используемых на практике, лучшим считается алгоритм LRU (Least Recently Used, в вольном переводе «давно не использовавшийся»). Он заключается в следующем: выбирать для вытеснения следует тот блок, к которому дольше всего не было обращений. Здесь как раз используется принцип локальности ссылок: раз обращений давно не было, то, вероятно, их и не будет в ближайшее время.
Как на практике реализуется выбор блока по правилу LRU? Очевидное решение – при каждом обращении к буферу записывать в его заголовке текущее время, а при выборе для вытеснения искать самую раннюю запись – слишком громоздко и медленно. Есть гораздо лучшая возможность.
Все буферы кэша связываются в линейный список. В заголовке каждого буфера хранится ссылка на следующий по порядку списка буфер (фактически хранится индекс этого буфера в массиве буферов). При каждом обращении к блоку данных для чтения или записи выполняется также перемещение соответствующего буфера в конец списка. Это не означает перемещения данных, хранящихся в буфере, изменяются только несколько ссылок в заголовках.
В результате постоянного перемещения использованных блоков в конец списка буферов этот список оказывается отсортированным по возрастанию времени последнего обращения. В начале списка оказывается тот буфер, к данным которого дольше всего не было обращений. Он-то нам и нужен как кандидат на вытеснение.
На рис. 2‑3 показан массив буферов, связанный в список.
Теперь о «грязных» буферах. В каких случаях должна выполняться их «очистка», т.е. запись блока данных из кэш-буфера на диск? Можно назвать три таких случая.
· Выбор блока для вытеснения из кэша.
· Закрытие файла, к которому относятся «грязные» блоки. Общепринято, что при закрытии файла должно выполняться его сохранение на диске.
· Операция принудительной очистки всех буферов либо только буферов, относящихся к определенному файлу. Подобная операция может выполняться для повышения надежности хранения данных, как страховка от возможных сбоев. В ОС UNIX, например, очистка всех буферов традиционно выполняется каждые 30 с.
Следует признать, что кэширование операций записи на диск, в отличие от кэширования чтения, всегда создает определенную опасность потери данных. В случае случайного сбоя системы, отключения питания и т.п. может оказаться, что важная информация, которую следовало записать на диск, застряла в грязных буферах кэша и была поэтому потеряна. Это неизбежная плата за значительное повышение производительности системы. Программы, требующие высокой надежности работы с данными (например, банковские программы), обычно записывают данные прямо на диск. При этом кэш либо не используется вообще, либо в кэш-буфер заносится копия данных, которая может пригодиться при последующих операциях чтения.
«Узким местом» кэширования дисков является поиск требуемого блока данных в кэше. Как было описано выше, для этого система просматривает заголовки буферов. Если кэш состоит из нескольких сотен буферов, время поиска будет ощутимо. Один из возможных приемов ускорения поиска, используемый в UNIX, показан на рис. 2‑4.
В UNIX каждый кэш-буфер может входить одновременно в два линейных списка. Один из них, называемый «списком свободных блоков», это знакомый нам LRU-список, используемый для определения блока, подлежащего вытеснению. Слово «свободный» не значит «пустой»; в данном случае это слово означает блок, не занятый в текущий момент в операции чтения/записи, выполняемой каким-нибудь процессом. Другой список называется «хеш-цепочкой» и используется для ускорения поиска нужного блока.
При записи в буфер данных, соответствующих некоторому блоку диска, номер хеш-цепочки, в которую будет помещен этот буфер, определяется как остаток от деления номера блока на N – количество хеш-цепочек. Для наглядности на рисунке принято значение N = 10. Таким образом, блоки с номерами 120, 40, 90 попадают в цепочку 0, блоки 91, 1, 71 – в цепочку 1 и т.д. Когда система ищет в кэше блок с определенным номером, она прежде всего по номеру блока определяет, в какой из хеш-цепочек этот блок должен находиться. Если блока нет в этой цепочке, то его вообще нет в кэше. Таким способом удается сократить поиск в лучшем случае в N раз (это если все цепочки окажутся одинаковой длины).
Перемещение буфера из одной хеш-цепочки в другую, как и его перемещение в конец списка свободных блоков, не требует перезаписи всего блока данных в памяти и выполняется путем изменения ссылок в заголовках блоков.
Еще одна особенность кэширования дисков в UNIX состоит в том, что при обнаружении в начале списка свободных блоков «грязных» буферов система запускает процессы их очистки, но не дожидается завершения этих процессов, а выбирает для вытеснения первый по списку чистый блок. После завершения очистки блоки возвращаются в начало списка свободных блоков, оставаясь первыми кандидатами на вытеснение.
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.