Влияние кэш памяти жесткого диска на быстродействие. Кэш-память жесткого диска: понятие, определение, выполняемые функции, объем памяти и влияние на работу устройства

Кэш жесткого диска представляет собой временное хранилище данных.
Если у вас современный , то кэш не столь важен, как это было раньше.
Более подробно о том, какую роль играет кэш в жестких дисках и какой должен быть объем кэша для быстрой работы компьютера, Вы найдете далее в статье.

Для чего нужен кэш

Кэш жесткого диска позволяет хранить часто используемые данные в специально отведенном месте. Соответственно объем кэша определяет вместительность хранимых данных. Благодаря большому кэшу производительность работы жесткого диска может возрастать в разы, ведь часто используемые данные могут загружаться именно в кэш жесткого диска, что при запросе не потребует физического чтения.
Физическое чтение – это прямое обращение к секторам жесткого диска. Оно занимает достаточно ощутимый период времени, измеряемый в миллисекундах. Одновременно с этим кэш жесткого диска передает информацию по запросу примерно в 100 раз быстрее чем, если бы информация запрашивалась при помощи физического обращения к жесткому диску. Таким образом, кэш жесткого диска позволяет работать винчестеру даже в том, случае если хост-шина занята.

Наряду с важностью кэша нельзя забывать и о других характеристиках жесткого диска, а иногда и объемом кэша можно пренебречь. Если сравнить два одинаковых по объему жестких диска с различными объемами кэша, например 8 и 16 мб, то выбор пользу в сторону большего кэша стоит делать только в том случае, если их разница в цене примерно $7-$12. В ином случае переплачивать деньги за больший объем кэша не имеет смысла.

На кэш стоит смотреть если вы покупаете игровой компьютер и для вас нет мелочей, в таком случае нужно еще посмотреть и на обороты.

Подытоживая все вышесказанное

Преимущества кэша заключаются в том, что обработка данных не занимает длительного времени, тогда когда во время физического обращения к определенному сектору, должно пройти время пока головка диска найдет нужный участок информации и начнет чтение. Кроме того, жесткие диски с большим объемом кэша могут значительно разгружать процессор компьютера, ведь для запроса информации из кэша не требуется физического обращения. Соответственно и работа процессора здесь минимальна.

Кэш жесткого диска можно назвать настоящим ускорителем, ведь его функция буферизации действительно позволяет жесткому диску работать намного быстрее и эффективнее. Однако в условиях стремительного развития высоких технологий былое значение кэша жесткого диска имеет не сильное значение так как в большинстве современных моделей используется кэш объемом 8 или 16 мб, которого вполне достаточно для оптимальной работы жесткого диска.

Сегодня существуют жесткие диски с еще большим объемом кэша 32 мб, но как мы уже говорили, переплачивать за разницу стоит только в том случае, если разница в цене соответствует разнице в производительности.

Нормальное функционирование операционной системы и быстрая работа программ на компьютере обеспечиваются оперативной памятью. Каждый пользователь знает, что от ее объема зависит количество задач, которые ПК может выполнять одновременно. Подобной памятью, только в меньших объемах, оснащаются и некоторые элементы компьютера. В данном материале речь пойдет о кэш-памяти жесткого диска.

Кэш-память (или буферная память, буфер) – область, где хранятся данные, которые уже считались с винчестера, но еще не были переданы для дальнейшей обработки. Там хранится информация, которой ОС Windows пользуется чаще всего. Необходимость в этом хранилище возникла из-за большой разницы между скоростью считывания данных с накопителя и пропускной способностью системы. Подобным буфером обладают и другие элементы компьютера: процессоры, видеокарты, сетевые карты и др.

Объемы кэша

Немаловажное значение при выборе HDD имеет объем буферной памяти. Обычно эти устройства оснащают 8, 16, 32 и 64 Мб, но имеются буферы на 128 и 256 Мб. Кэш довольно часто перегружается и нуждается в чистке, так что в этом плане больший объем всегда лучше.

Современные HDD в основном оснащаются кэш-памятью на 32 и 64 Мб (меньший объем уже редкость). Обычно этого достаточно, тем более что у системы есть собственная память, которая вкупе с ОЗУ ускоряет работу жесткого диска. Правда, при выборе винчестера не все обращают внимание на устройство с наибольшим размером буфера, так как цена на такие высока, да и параметр этот не является единственным определяющим.

Главная задача кэш-памяти

Кэш служит для записи и чтения данных, но, как уже было сказано, это не основной фактор эффективной работы жесткого диска. Здесь важно и то, как организован процесс обмена информацией с буфером, а также, насколько хорошо работают технологии, предотвращающие возникновение ошибок.

В буферном хранилище содержаться данные, которые используются наиболее часто. Они подгружаются прямо из кэша, поэтому производительность увеличивается в несколько раз. Смысл в том, что нет необходимости в физическом чтении, которое предполагает прямое обращение к винчестеру и его секторам. Этот процесс слишком долгий, так как исчисляется в миллисекундах, в то время как из буфера данные передаются во много раз быстрее.

Преимущества кэш-памяти

Кэш занимается быстрой обработкой данных, но у него есть и другие преимущества. Винчестеры с объемным хранилищем могут значительно разгрузить процессор, что приводит к его минимальному задействованию.

Буферная память является своего рода ускорителем, который обеспечивает быструю и эффективную работу HDD. Она положительно влияет на запуск ПО, когда речь идет о частом обращении к одним и тем же данным, размер которых не превышает объема буфера. Для работы обычному пользователю более чем достаточно 32 и 64 Мб. Дальше эта характеристика начинает терять свою значимость, так как при взаимодействии с большими файлами эта разница несущественна, да и кому захочется сильно переплачивать за более объемный кэш.

Узнаем объем кэша

Если размер винчестера — величина, о которой несложно узнать, то с буферной памятью другая ситуация. Не каждый пользователь интересуется этой характеристикой, но если возникло такое желание, обычно ее указывают на упаковке с устройством. В противном случае можно найти эту информацию в интернете или воспользоваться бесплатной программой HD Tune.

Утилита, предназначенная для работы с HDD и SSD, занимается надежным удалением данных, оценкой состояния устройств, сканированием на наличие ошибок, а также дает подробную информацию о характеристиках винчестера.

В этой статье мы рассказали, что такое буферная память, какие задачи она выполняет, каковы ее преимущества и как узнать ее объем на винчестере. Выяснили, что она важна, но не является основным критерием при выборе жесткого диска, а это — положительный момент, учитывая высокую стоимость устройств, оснащенных большим объемом кэш-памяти.

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. ©

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.

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

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.