Модуль поиска не установлен.

Пути повышения производительности винчестера

Когда пользователь, наблюдая за песочными часами на мониторе, приходит к выводу, что его компьютер безбожно "тормозит", и адресует свое негодование по этому поводу Microsoft, прав он только отчасти

Чаще всего раздражающее ожидание связано с загрузкой файлов с винчестера, а не с работой центрального процессора под руководством Microsoft Windows и ее приложений. Нет, конечно, это не снимает ответственности с Microsoft и других, кстати, разработчиков программного обеспечения за задержки в работе компьютера. Не с Луны же свалились на нашу голову эти бешеного размера файлы.

Но и сами мы хороши. Радуемся красивым картинкам на экране? Приветствуем появление высококачественного звука, видеозаставок, игрушек с богатой графикой? Не возражаем, чтобы наши документы были оформлены как можно лучше и насыщеннее, а в базах данных хранилась информация едва ли не обо всем на свете? Тогда не надо злиться, что файлы стали "неподъемными".

Другое дело, что надо стремиться к сбалансированной производительности как аппаратных узлов компьютера, так и установленных на нем приложений. Мощной операционной системе и производительным прикладным программам следует предоставить и процессор побыстрее, и винчестер не только более емкий, но и более "скоростной". Кстати, популярная рекомендация поставить больше оперативной памяти, чтобы машина не "тормозила", напрямую связана с недостаточной производительностью винчестера.

От чего зависит быстродействие винчестера?

Накопитель на жестких магнитных дисках, он же винчестер, v устройство электронно-механическое. Если не вдаваться в подробности, можно считать, что механическая часть его включает приводы пластин (дисков), сборки головок чтения и записи. Электроника винчестера представлена головками чтения и записи, каналом чтения, контроллером интерфейса, буферной памятью, схемами управления приводами пластин и головок.

Соответственно, часть параметров винчестера характеризуют его механику, а другая часть v электронику. Эти характеристики, хотя и кажутся малозависимыми друг от друга, на самом деле тесно увязаны между собой. Чтобы добиться прогресса, скажем, во временных параметрах накопителя, характеризующих быстродействие его механики, необходимо значительно усовершенствовать и его электронику. И наоборот.

Остановимся на основных характеристиках, по которым можно судить о производительности винчестера. В первую очередь всегда упоминают временные характеристики привода v среднее время поиска и ожидания. Первая величина показывает, сколько времени потребуется на перемещение головок к нужной дорожке. Вторая v сколько придется подождать, пока под головками окажется требуемый сектор - она напрямую связана со скоростью вращения пластин. Еще несколько величин составляют параметр, известный как "среднее время доступа к данным".

Среди "электронных" характеристик чаще всего обращают внимание на внешнюю скорость передачи данных, которая на самом деле является параметром интерфейса, соединяющего накопитель с системной шиной компьютера, а не самого накопителя. Данные с такой скоростью (или близкой к ней) передаются лишь в том случае, если они были считаны заранее и находились в буфере (см. ниже).

Реже упоминают внутреннюю скорость передачи данных, которая как раз и показывает, как быстро работает канал чтения винчестера, то есть с какой скоростью данные считываются с пластин и помещаются в буфер. В последнее время с учетом роста интенсивности обращений программ к жесткому диску эта величина становится все важнее. Большое значение играет также емкость встроенного в накопитель буфера и его организация. Буфер призван сгладить несоответствие между внутренней и внешней скоростью передачи данных.

Попробуем разобраться, как все эти параметры связаны между собой, и поговорим о путях повышения производительности винчестеров. Проблема эта волнует все компании, производящие накопители на жестких дисках. Как свидетельствуют публикуемые в прессе обзоры, наибольших результатов в этом добилась сегодня корпорация IBM (по крайней мере, в секторе IDE-накопителей для настольных компьютеров). Поэтому в дальнейшем я воспользуюсь данными, приводимыми в технических документах этой компании.

Повышение скорости вращения пластин

При обслуживании случайных запросов на чтение или запись производительность винчестера на 90% определяется его механическими характеристиками, такими как время поиска (параметр движения головок) и скорость вращения пластин (т.е. самих дисков). Под случайными запросами понимаются обращения к файлам, записанным на дисках в разных местах. Такой режим типичен для работы простых приложений Windows v текстовых редакторов, электронных таблиц, навигаторов Интернет, электронной почты и т.п.

На долю электронных факторов, включая внутреннюю скорость передачи данных по каналу чтения, выдачу их из буфера винчестера, внешнюю передачу данных по IDE-интерфейсу и прием операционной системой, остается 10%. Тут надо учитывать, что хотя внутренняя скорость передачи данных считается чисто электронным параметром, она серьезно зависит от скорости вращения пластин.

Из двух механических факторов v времени поиска и скорости вращения v наибольший эффект с точки зрения повышения производительности винчестера достигается при увеличении скорости вращения дисков. Это подтверждается начавшимся переходом индустрии на IDE-винчестеры со скоростью вращения 7,200 оборотов в минуту (об./мин., rpm) вместо широко применявшихся в последние годы накопителей с 5,400 об./мин.

Повышение скорости вращения, диктуемое требованиями к производительности винчестеров со стороны сегодняшних операционных систем и приложений, дает выигрыш как по среднему времени ожидания, так и по внутренней скорости передачи данных. Причем в первом случае в основном эффект достигается при случайных обращениях, а во втором v при чтении больших массивов последовательно записанных данных (графики, аудио- или видеоданных).

Из чего складывается время считывания данных с винчестера (I/O time) при типичных случайных запросах? Сначала контроллеру жесткого диска необходимо время, чтобы обработать поступивший запрос, выдать команды на привод головок (command overhead time). Затем некоторое время уйдет на передвижение головок к заданному цилиндру (seek time). После этого придется подождать, пока диски повернутся и под головками окажутся необходимые секторы с данными (latency time). Потом начнется чтение и передача данных в компьютер (data transfer time). То есть

I/O time = command overhead time + seek time +

latency time + data transfer time

В этом уравнении время ожидания полностью определяется скоростью вращения пластин и в среднем равно поло-вине периода оборота дисков. У винчестеров со скоростью вращения 5400 об./мин. среднее ожидание составляет 5.6 миллисекунды (мс), а при переходе к 7200 об./мин. оно сокращается до 4.2 мс. Если принять остальные составляющие равными для обоих винчестеров (а так оно практически и есть), можно прикинуть прирост производительности, получаемый за счет перехода на 7200 об./мин.

По данным IBM, у современных винчестеров для настольных РС время обработки команды составляет примерно 0.5мс, среднее время поиска равно 9.5 мс, на передачу 4 килобайт данных уходит приблизительно 0.3 мс. Тогда получаем, что винчестеру со скоростью вращения пластин 5400 об./мин. на чтение типичного 4-килобайтного блока данных (одного кластера FAT32) потребуется 15.9 мс, в то время как винчестер со скоростью вращения 7200 об./мин. с этой задачей справится за 14.5 мс.

Итак, переход на 7200 оборотов в минуту при выполнении операций чтения типичных 4-килобайтных блоков данных дает 10-процентный прирост производительности по сравнению с винчестерами на 5400 об./мин.

Но это еще не все. Повышение скорости вращения пластин сказывается и на внутренней скорости передачи данных (disk transfer rate).Теоретическая максимальная внутренняя скорость передачи данных (то есть скорость, с которой данные записываются на диск или считываются с него) определяется временем оборота дисковых пластин (revolution time), размером сектора (sector size), числом секторов на треке (sectors per track), числом треков в цилиндре, или числом рабочих поверхностей установленных в винчестере дисковых пластин (tracks per cylinder), и временем, необходимым для переключения между головками (временем перехода между треками в цилиндре). Для вычисления теоретической максимальной внутренней скорости передачи данных можно воспользоваться упрощенной формулой:

max. disk transfer rate =

sectors per track * sector size / revolution time

Время оборота пластин в винчестере со скоростью вращения 7200 об./мин. составляет 8.3 мс, а при 5400 об./мин. v 11.1 мс. При равном для обоих накопителей числе секторов на трек и одинаковом размере сектора (в большинстве операционных систем это 512 байт) получаем, что переход на 7200 об./мин. обеспечивает увеличение теоретической максимальной внутренней скорости передачи данных на 33%.

Такой, или почти такой, прирост производительности наблюдается при считывании и записи больших последовательных блоков данных. Этот режим характерен для графических и мультимедийных приложений, баз данных.

Кстати, повышение скорости вращения иногда заставляет уменьшить число секторов на трек, то есть плотность записи данных. Это связано с тем, что электронный канал чтения обладает ограниченной пропускной способностью. При слишком высокой плотности записи и скорости вращения пластин она может оказаться недостаточной для обработки всех данных, проходящих в единицу времени под головками чтения/записи. Поскольку сегодня задача увеличения плотности записи и емкости винчестеров стоит не менее остро, наиболее емкие накопители пока выпускаются с меньшей скоростью вращения пластин.

Увеличение емкости кэш-буфера

Это еще один путь повышения производительности винчестеров. Встроенный буфер винчестера выполняет две функции. Во-первых, он служит мостом между каналом чтения и внешним интерфейсом. Данные между ними не могут передаваться напрямую из-за большой разницы между внутренней и внешней скоростями. На этом этапе невозможно обойтись без промежуточного буфера, позволяющего сгладить задержки при обращениях к диску.

Во-вторых, буфер служит своего рода сверхбыстрым накопителем, обеспечивающим выдачу данных с максимальной для внешнего интерфейса скоростью. За счет буфера большой емкости и удачно подобранных алгоритмов его заполнения удается существенно повысить производительность винчестера.Когда поступает запрос на чтение, контроллер винчестера первым делом проверяет, нет ли требуемых данных в кэш-буфере. Если их там не оказалось, происходит чтение с дисковых пластин, прочитанные данные помещаются в буфер и передаются из него по внешнему интерфейсу операционной системе компьютера. Каким же образом запрашиваемые данные могут оказаться в буфере?

Для этого применяются алгоритмы упреждающего чтения. Прочитав секторы, содержащие затребованные приложением или системой данные, винчестер не останавливается и на всякий случай переносит в буфер содержимое следующих секторов. Поскольку сегодня приложения редко довольствуются малыми порциями данных, чтение носит последовательный характер и загодя прочитанные секторы обычно приходятся кстати при следующих обращениях. Когда же запрашиваемые данные находятся в буфере, их выдача происходит практически моментально v на это уходят не миллисекунды, как при чтении, а микросекунды. Эффективность кэширования подтверждают все тесты.

Однако просто поставить на винчестер большой буфер недостаточно. Сегодняшние приложения и системы отличаются не только хорошим аппетитом по части данных, но и многозадачностью. То есть, к винчестеру обращаются одновременно не одна, а сразу несколько параллельно работающих программ или вычислительных процессов, запущенных одной программой.

Корпорация IBM, как и другие производители, постоянно совершенствует алгоритмы, оптимизирующие использование винчестерного кэш-буфера при работе в современных компьютерных системах. При этом учитывается, что серверы, рабочие станции и обычные персональные компьютеры совершенно по-разному обращаются к дискам. Поэтому выпускаемые для них винчестеры оснащаются разными интерфейсами, буферами разной емкости.

Повышения эффективности кэш-буфера добиваются, во-первых, наращиванием его емкости и, во-вторых, применением хитроумных алгоритмов сегментирования. Под сегментированием буфера понимается разделение его на несколько частей (сегментов), используемых независимо друг от друга, v для обслуживания параллельных очередей запросов чтения, поступающих, например, от разных программ. Адаптивное сегментирование предусматривает гибкий подбор числа сегментов и их емкости.

Чем выше внутренняя скорость передачи данных, чем более быстрым интерфейсом оснащен винчестер, тем больший ему требуется буфер. На жестких дисках для персональных компьютеров со скоростью вращения пластин 5,400 об./мин. В большинстве случаев устанавливались 256-килобайтные буферы. Сегодня высокопроизводительные винчестеры со скоростью вращения 7200 об./мин. и интерфейсами Ultra ATA-33/66 оснащаются как минимум 512-килобайтными буферами. SCSI-винчестеры, предназначенные для рабочих станций и серверов, нуждаются в буферах емкостью 1, 2 и даже 4 мегабайта. Причем 4-мегабайтные буферы SCSI-винчестеров IBM Ultrastar разделяются на 4 сегмента по 920 килобайт каждый (количество сегментов конфигурируется).

Тут все зависит от характера применяемых программных приложений и, следовательно, обращений к винчестеру. При работе баз данных с большими записями чтение и запись носят последовательный характер, и тогда целесообразно разделять буфер на несколько емких сегментов. Когда преобладают случайные обращения, может понадобиться разделение буфера на большее число сегментов. В идеале количество сегментов должно чуточку превышать число параллельно обслуживаемых винчестером потоков ввода/вывода.

Прерывание потока данных, поступающего по внешнему интерфейсу винчестера, происходит тогда, когда буфер оказывается полным при записи или пустым при чтении. И в том, и в другом случае это происходит из-за более низкой скорости передачи данных по каналу чтения, чем по внешнему интерфейсу. Уменьшить количество таких прерываний позволяет увеличение емкости сегментов буфера. Наибольший эффект ощущается при обслуживании мощных потоков данных, таких как последовательное чтение или запись громоздких графических файлов, аудио- и видеоданных.

Предположим, что с винчестера считывается 256-килобайтный поток данных. Если на нем установлен буфер емкостью 1 мегабайт, разделенный на 4 сегмента по 160 килобайт каждый, емкости такого сегмента окажется недостаточно для поддержания непрерывности потока данных. А 4-мегабайтный буфер, поделенный на 4 сегмента по 920 килобайт, справится с задачей легко. В этом случае практически всегда следующая запись, за которой обратится программа, будет считана с диска загодя и выдана с максимальной скоростью из буфера. Буфер не будет опорожняться, а SCSI-интерфейс v отключаться.

И еще один вопрос напоследок. Зачем устанавливать большой буфер на винчестер, если операционные системы тоже организуют кэширование данных, считываемых или записываемых на жесткий диск, причем в их распоряжении вся системная память компьютера, из которой можно спокойно выделить для этих целей и 4 мегабайта, и в несколько раз больше. Дело в том, что размещение буфера на винчестере позволяет в несколько раз сократить нагрузку на интерфейс. В частности, по нему не будут передаваться данные, считываемые с упреждением, а ведь заранее неизвестно, пригодятся они или нет.

Благодаря постоянному совершенствованию технологий, удельная стоимость твердотельных накопителей неуклонно снижается, а их объем и ресурс, наоборот, растут. Несмотря на это, жесткие диски будут актуальны еще достаточно продолжительное время и производители не останавливаются в стремлении улучшать их рабочие характеристики.

Собственно, конструкция НЖМД принципиально не изменяется уже длительное время — внутри герметичного корпуса вращается от одной до четырёх легких круглых пластин, а над ними перемещаются несколько магнитных головок и производят запись/чтение информации. Усилия производящих компаний направлены на модернизацию узлов крепления движущихся элементов, подбор состава ферромагнитного слоя на дисках, улучшение параметров привода и головок, а также на оптимизацию алгоритмов управления всем этим хозяйством.

Самые важные критерии выбора

Геометрические размеры

Чаще используется термин «форм-фактор», но тут есть один нюанс. Основных типоразмеров HDD два: 3,5 дюйма для десктопов и 2,5 дюйма для ноутбуков. Как правило, толщина накопителя зависит от количества пластин и если для настольных ПК ее величина особого значения не имеет, то у портативных устройств она может играть определяющую роль. Ультратонкие ноутбуки рассчитаны на установку 7-ми или даже 5-миллиметровых винчестеров, в то время как наиболее широко представлены устройства толщиной 9,5 мм.

Предназначение жесткого диска

Пожалуй, наиболее важным критерием является назначение жесткого диска. Если его основная задача состоит в хранении различной информации — на первый план выдвигаются требования к объему дискового пространства и удельной стоимости. В настоящее время оптимальным выбором здесь являются накопители емкостью 2—4 Тб с низким уровнем потребления энергии. При этом на скорость вращения пластин особого внимания не обращают. У НЖМД такой категории она обычно составляет 5400 об/мин, но может быть и выше. Для ответственного хранения данных накопители организовываются в RAID-массивы и к предъявляемым требованиям добавляется надежность, выражаемая во времени наработки устройства на отказ. Жесткие диски для корпоративного сектора имеют расширенный набор конструктивных особенностей, повышающих «живучесть» HDD и соответствующую стоимость. От накопителей для сетевых хранилищ требуется мгновенная готовность к обмену в любой момент, поэтому прошивка для их контроллеров модифицируется соответствующим образом, обычно в ущерб энергоэффективности.

Системные диски должны обеспечивать максимальную скорость чтения и, в меньшей степени, записи. Их отличительной чертой является более высокая частота вращения пластин (7200 об/мин и больше), а побочным эффектом интенсивной работы двигателя — повышенные нагрев и шум. Разумеется, ориентироваться нужно на диски с наиболее производительным интерфейсом, который поддерживает материнская плата (в настоящее время SATA III). В операционных системах Windows XP и Windows 7 были проблемы с загрузочными разделами большого объема, поэтому в качестве системных, накопители емкостью 3 Гб и выше использовались с учетом этого фактора. Своеобразным компромиссом между доступной стоимостью HDD и высокой производительностью SSD являются гибридные устройства. В однодисковых рабочих станциях или ноутбуках подобные накопители позволяют значительно повысить скорость загрузки операционной системы.

Объем

При выборе жесткого диска особое внимание всегда обращают на его объем. Именно его нехватка в большинстве случаев и является движущей причиной покупки. С точки зрения стоимости единицы хранения информации, наиболее выгодны HDD емкостью 2 или 4 Тб для десктопных систем и терабайтные для мобильных устройств. Преимущество следует отдавать дискам с меньшим количеством пластин. Обладая большей плотностью записи, такие носители обеспечивают и более высокую скорость обмена, а само устройство слабее нагревается при работе.

Фото: domcomputer.ru

Другие характеристики

• На сегодняшний день актуальными интерфейсами являются SATA III для пользовательского применения и SAS для серверов. В продаже также еще встречаются жесткие диски SATA II. Оставаясь полностью совместимыми в плане подключения, они имеют в два раза меньшую пропускную способность чем интерфейсы третьей ревизии этого стандарта. Для устаревшего оборудования могут потребоваться накопители с параллельной шиной (PATA - они же IDE).
• Чем выше скорость чтения/записи , тем быстрее будет осуществляться обмен данными с диском. Следует только иметь в виду, что производители любят в характеристиках указывать максимальные величины, достигаемые в идеале. На самом деле скорость уменьшается с приближением головок к центру пластины и зависит от размера блока данных и массы других вещей. Например, в реальных условиях обмен практически всегда идет в обе стороны. Типичные максимальные значения для накопителей с интерфейсом SATA III лежат в диапазоне от 130 до 180 Мб/с.
• Скорость вращения пластин важна, если требуется максимальное быстродействие, даже в ущерб другим параметрам. У накопителей, ориентированных на другие задачи, ее величина может быть переменной или не указываться производителями.
• До определенной степени ускорить производительность жесткого диска позволяет кеш-память . В процессе чтения данные из соседних блоков также извлекаются и помещаются в специальный буфер в расчете на то, что они потребуются при следующем обращении к накопителю. При считывании большого массива это всегда дает положительный эффект. Чем больше объем кеша, тем ощутимее прирост производительности — именно это послужило одной из причин создания гибридных устройств. Обратной стороной медали является рост цены и сложность согласования операций чтения/записи.
• Потребляемая мощность косвенно характеризует вероятный нагрев НЖМД. Более прожорливыми и сильнее греющимися ожидаемо являются скоростные накопители, экономными и относительно прохладными — их медленные собратья. В режимах чтения/записи первые потребляют мощность от 8 до 12 Вт, вторым требуется 4—5. Жесткие диски форм-фактора 2,5" в своих аппетитах гораздо скромнее, им достаточно 2—3 Вт. Отдельный интерес представляет величина потребления в состоянии покоя, служащая наглядным показателем энергоэффективности устройства.

Основные производители

Жесткие диски являются достаточно высокотехнологичным продуктом, поэтому изначально небольшое число компаний, специализировавшихся на их выпуске, постоянно сокращается. Наиболее востребованы винчестеры производства Western Digital , Seagate Technology , Hitachi Global Storage Technologies (HGST ) и, в меньшей мере, Samsung Electronics . В сегменте 2,5-дюймовых НЖМД очень популярна продукция Toshiba Corporation , причем накопители этой компании служат основой для 2/3 внешних жестких дисков, выпускающихся под другими брендами.

Фото: www.komposervis.ru

Приобретая HDD, в первую очередь отталкивайтесь от того, как он будет использоваться. Установленная на диски «зеленых» серий операционная система будет медленнее загружаться чем могла бы. Скорость обмена данными с быстрыми накопителями порадует сердце, если забыть об их стоимости. Потеря информации способна значительно усложнить жизнь, поэтому серьезные дела стоит доверять только винчестерам с повышенной надежностью.

Выбирая жесткий диск для ноутбука, не забудьте обратить внимание на соответствие размеров. Чем тоньше мобильное устройство, тем выше вероятность установки в нем Thin или Ultrathin накопителя. С другой стороны, отсек HDD практически любого ноутбука имеет ту или иную систему повышения ударостойкости, в основе которой лежит установка диска в окружении демпфирующего материала. Хорошим вариантом здесь будет приобретение винчестера в комплект которого входит специальная утолщающая накладка.

Планируя покупку жесткого диска нужного объема, помните — указываемая производителем величина и реальная емкость отформатированного накопителя это, как говорят в Одессе, две большие разницы. Как правило, на винчестерах указывается емкость в миллиардах (G) или триллионах (T) байт. А так как один терабайт состоит из 1 099 511 627 776 минимально адресуемых наборов данных (1024 в 4-й степени), то и объем в соответствующих единицах получается меньше.

Производительность дисковой системы зависит от быстродействия кинематики жесткого диска . Механические движущиеся детали пока остаются самым медленным звеном в цепи передачи данных от магнитной поверхности диска в оперативную память компьютера. Наиболее длительными фазами в операциях чтения/записи данных являются:

• Поиск дорожки и считывание нескольких сервометок для точного позиционирования магнитной головки на дорожке, содержащей требуемый сектор .
• Ожидание поворота диска на угол, необходимый для доступа к сектору идентифицированной дорожки (среднестатистически - половина оборота магнитного диска).

Скоростные характеристики жесткого диска обычно определяется двумя параметрами:

• Среднее время доступа (результат деления времени, потребовавшегося для серии чтений случайного сектора, на количество считанных секторов).
• Средняя скорость чтения (количество секторов, последовательно считанных с поверхности магнитного диска за определенный промежуток времени).

Однако часто используются и дополнительные параметры, позволяющие более точно определить производительность дисковой системы в целом:

• Буферизированная скорость чтения (скорость обмена информацией между контроллером материнской платы и контроллером жесткого диска).
• Устойчивая скорость чтения (наиболее часто повторяющаяся скорость при последовательном чтении одинаковых блоков информации).

Повышение скорости перемещения магнитных головок ограничивается инерционностью достаточно массивной системы позиционирования и разрушительной вибрацией, возникающей при быстрых хаотичных (несбалансированных) возвратно-поступательных движениях механических компонентов жесткого диска. Поэтому в эволюции жестких дисков основным путем увеличения производительности стало увеличение скорости вращения магнитного диска, что уменьшает время ожидания сектора и увеличивает скорость линейного чтения. Скорость линейного чтения увеличивается и при повышении плотности записи и удаления дорожки от центра вращения магнитного диска. Использование реализованной в жестких дисках технологии управления акустическим шумом (AAM) позволяет управлять скоростью позиционирования магнитных головок, т.е. регулировать среднее время доступа.

Переключение на другую дорожку в пределах одного цилиндра занимает в среднем порядка одной миллисекунды. Это время складывается из ничтожно малого времени переключения головок, производящегося электроникой жесткого диска, и времени позиционирования головки. Дорожки в цилиндре в силу погрешностей изготовления находятся не строго друг под другом, а с некоторым разбросом. Для того, чтобы установить головку точно на дорожку, требуется считать определенное количество сервометок, а на это уходит дополнительное время. Однако за миллисекунду шпиндель накопителя с частотой вращения 7200 об/мин успевает повернуться почти на одну восьмую оборота. Поэтому первый сектор следующей дорожки в цилиндре смещен относительно предыдущей примерно на 45 градусов, что позволяет избежать "холостого" оборота магнитного диска.

Переход к соседнему цилиндру также требует времени (типовое значение 2-4 мс). С учетом этого первый сектор первой дорожки следующего цилиндра сдвинут относительно последнего сектора последней дорожки предыдущего цилиндра. Это позволяет снизить потери времени на ожидание того момента, когда нужный сектор окажется под головкой в режиме непрерывного чтения файлов. Наиболее эффективным с точки зрения скорости чтения является линейное расположение секторов, принадлежащих одному файлу, поэтому необходимо периодически делать дефрагментацию файловой системы , чтобы полностью реализовать заложенный в накопителе потенциал.

Скорость и производительность работы компьютера определяется множеством факторов. Невозможно добиться ощутимого повышения производительности за счёт улучшения характеристик какого-либо одного устройства, например, за счёт повышения тактовой частоты процессора. Только тщательно подобрав и сбалансировав все компоненты компьютера можно добиться существенного повышения производительности работы компьютера.

Следует помнить, что компьютер не может работать быстрее, чем самое медленное из устройств, задействованных для выполнения этой задачи.

Тактовая частота процессора

Наиболее важный параметр производительности компьютера - скорость процессора , или, как её называют, тактовая частота , которая влияет на скорость выполнения операций в самом процессоре . Тактовой частотой называют рабочую частоту ядра процессора (т. е. той части, которая выполняет основные вычисления) при максимальной загрузке. Отметим, что другие компоненты компьютера могут работать на частотах, отличных от частоты процессора.

Измеряется тактовая частота в мегагерцах (MHz) и гигагерцах (GHz) . Количество тактов в секунду, выполняемых процессором, не совпадает с количеством операций, выполняемых процессором за секунду, поскольку для реализации многих математических операций требуется несколько тактов. Понятно, что в одинаковых условиях процессор с более высокой тактовой частотой должен работать эффективнее, чем процессор с более низкой тактовой частотой.

С увеличением тактовой частоты процессора увеличивается и число операций, совершаемых компьютером за одну секунду, а следовательно, возрастает и скорость работы компьютера.

Объем оперативной памяти

Важным фактором, влияющим на производительность компьютера, является объем оперативной памяти и её быстродействие (время доступа, измеряется в наносекундах). Тип и объем оперативной памяти оказывает большое влияние на скорость работы компьютера.

Самым быстро работающим устройством в компьютере является процессор . Вторым по скорости работы устройством компьютера является оперативная память, однако, оперативная память значительно уступает процессору по скорости.

Чтобы сравнить скорость работы процессора и оперативной памяти, достаточно привести только один факт: почти половину времени процессор простаивает в. ожидании ответа от оперативной памяти. Поэтому чем меньше время доступа к оперативной памяти (т. е. чем она быстрее), тем меньше постаивает процессор, и тем быстрее работает компьютер.

Чтение и запись информации из оперативной памяти осуществляется значительно быстрее, чем с любого другого устройства для хранения информации, например, с винчестера, поэтому увеличение объёма оперативной памяти и установка более быстрой памяти приводит к увеличению производительности компьютера при работе с приложениями.

Объем жёсткого диска и скорость работы жёсткого диска

На производительность компьютера влияет скорость связи шины жёсткого диска и свободный объем дискового пространства.

Объем жёсткого диска, как правило, влияет на количество программ, которые вы можете установить на компьютер, и на количество хранимых данных. Ёмкость накопителей для жёстких дисков измеряется, как правило, десятками и сотнями гигабайт.

Жёсткий диск работает медленнее, чем оперативная память . Так как скорость обмена данными для жёстких дисков Ultra DMA 100 не превышает 100 мегабайт в секунду (133 Мбайт/сек для Ultra DMA 133). Ещё медленнее происходит обмен данными в DVD и CD-приводах.

Важными характеристиками винчестера, влияющими на Скорость работы компьютера, являются:

• Скорость вращения шпинделя;
• Среднее время поиска данных;
• Максимальная скорость передачи данных.

Размер свободного места на жёстком диске

При нехватке места в оперативной памяти компьютера Windows и многие прикладные программы вынуждены размещать часть данных, необходимых для текущей работы, на жёстком диске, создавая так называемые временные файлы (swap files) или файлы подкачки .

Поэтому важно, чтобы на диске было достаточно свободного места для записи временных файлов. При недостатке свободного места на диске многие приложения просто не могут корректно работать или их скорость работы значительно падает.

После завершения работы приложения все временные файлы, как правило, автоматически удаляются с диска, освобождая место на винчестере. Если размер оперативной памяти достаточен для работы (не менее нескольких Гб), то размер файла подкачки для персонального компьютера не так существенно влияет на быстродействие компьютера и может быть установлен минимальным.

Дефрагментация файлов

Операции удаления и изменения файлов на диске приводят к фрагментации файлов, выражающейся в том, что файл занимает не соседние области на диске, а разбивается на несколько частей, хранящихся в разных областях диска. Фрагментация файлов приводит к дополнительным затратам на поиск всех частей открываемого файла, что замедляет доступ к диску и уменьшает (как правило, не существенно) общее быстродействие диска.

Например, для выполнения дефрагментации в операционной системе Windows 7 щёлкните по кнопке Пуск и в раскрывшемся главном меню выберите последовательно команды Все программы, Стандартные, Служебные, Дефрагментация диска .

Количество одновременно работающих приложений

Windows - многозадачная операционная система , которая позволяет одновременно работать сразу с несколькими приложениями. Но чем больше приложений одновременно работают, тем сильнее возрастает нагрузка на процессор, оперативную память, жёсткий диск, и тем самым замедляется скорость работы всего компьютера, всех приложений.

Поэтому те приложения, которые не используются в данный момент, лучше закрыть, освобождая ресурсы компьютера для оставшихся приложений.

Плата электроники современного накопителя на жестких магнитных дисках представляет собой самостоятельный микрокомпьютер с собственным процессором, памятью, устройствами ввода/вывода и прочими традиционными атрибутами присущими компьютеру. На плате могут располагаться множество переключателей и перемычек.

Все накопители соответствуют стандартам, определяемым либо независимыми комитетами и группами стандартизации, либо самими производителями. Среди множества технических характеристик отличающих одну модель от другой можно выделить некоторые, наиболее важные с точки зрения пользователей и производителей.

Диаметр дисков (disk diameter) - параметр довольно свободный. Наиболее распространены накопители с диаметром дисков 2.2,2.3,3.14 и 5.25 дюймов. Диаметр дисков определяет плотность записи на дюйм магнитного покрытия. Накопители большего диаметра содержат большее число дорожек, и в них, как правило используются более простые технологии изготовления носителей, предназначенных для меньшей плотности записи. Они медленнее и имеют меньшее число дисков, но более надежны. Накопители с меньшим диаметром больших объемов имеют более высокотехнологичные поверхности и высокие плотности записи информации, а также большее число дисков.

Число поверхностей (sides number) - определяет количество физических дисков нанизанных на шпиндель. Выпускаются накопители с числом поверхностей от 1 до 8 и более. Однако, наиболее распространены устройства с числом поверхностей от 2 до 5. Число поверхностей прямо определяет физический объем накопителя и скорость обработки операций на одном цилиндре. Так как операции на поверхностях цилиндра выполняются всеми головками синхронно, то при равных всех остальных условиях, более быстрыми окажутся накопители с большим числом поверхностей.

Число цилиндров (cylinders number) - определяет сколько дорожек (треков) будет располагаться на одной поверхности. В настоящее время все накопители емкостью более 1 Гигабайта имеют число цилиндров более 1024, вследствие чего, для распространенных ОС применяются унифицированные режимы доступа с пересчетом и эмуляцией и виртуализацией числа головок, цилиндров и секторов (LBA и Large) .

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

Число секторов на дорожке (sectors per track) - общее число секторов на одной дорожке. Часто, для современных накопителей показатель условный, т.к. они имеют неравное число секторов на внешних и внутренних дорожках, скрытое от системы и пользователя интерфейсом устройства.

Частота вращения шпинделя (rotational speed или spindle speed) - определяет, сколько времени будет затрачено на последовательное считывание одной дорожки или цилиндра. Частота вращения измеряется в оборотах в минуту (rpm) . Для дисков емкостью до 1 гигабайта она обычно равна 5,400 оборотов в минуту, а у более вместительных достигает 7,200 и 10000 rpm.

Время перехода от одной дорожки к другой (track-to-track seek time) обычно составляет от 3.5 до 5 миллисекунд, а у самых быстрых моделей может быть от 0.6 до 1 миллисекунды. Переход с дорожки на дорожку является самым длительным процессом в серии процессов произвольного чтения/записи на дисковом устройстве. Показатель используется для условной оценки производительности при сравнении накопителей разных моделей и производителей.

Время успокоения головок (head latency time) - время, проходящее с момента окончания позиционирования головок на требуемую дорожку до момента начала операции чтения/записи. Является внутренним техническим показателем, входящим в показатель - время перехода с дорожки на дорожку.

Время установки или время поиска (seek time) - время, затрачиваемое устройством на перемещение головок чтения/записи к нужному цилиндру из произвольного положения.

Среднее время установки или поиска (average seek time) - усредненный результат большого числа операций позиционирования на разные цилиндры, часто называют средним временем позиционирования. Среднее время поиска имеет тенденцию уменьшаться с увеличением емкости накопителя, т. к повышается плотность записи и увеличивается число поверхностей. Для 540-мегабайтных дисков наиболее типичны величины от 10 до 13, а для дисков свыше гигабайта - от 7 до 10 миллисекунд. Среднее время поиска является одним из важнейших показателей оценки производительности накопителей, используемых при их сравнении.

Время ожидания (latency) - время, необходимое для прохода нужного сектора к головке, усредненный показатель - среднее время ожидания (average latency) , получаемое как среднее от многочисленных тестовых проходов. После успокоения головок на требуемом цилиндре контроллер ищет нужный сектор. При этом, последовательно считываются адресные идентификаторы каждого проходящего под головкой сектора на дорожке. В идеальном, с точки зрения производительности случае, под головкой сразу окажется нужный сектор, в плохом - окажется, что этот сектор только что "прошел" под головкой, и, до окончания процесса успокоения необходимо будет ждать полный оборот диска для завершения операции чтения/записи. Это время у накопителей объемом от 540 мегабайт до 1 гигабайта составляет примерно 5.6, а у дисков свыше гигабайта - 4.2 миллисекунды и менее.

Время доступа (access time) - суммарное время, затрачиваемое на установку головок и ожидание сектора. Причем, наиболее долгим является промежуток времени установки головок.

Среднее время доступа к данным (average access time) - время, проходящее с момента получения запроса на операцию чтения/записи от контроллера до физического осуществления операции - результат сложения среднего время поиска и среднего времени ожидания. Среднее время доступа зависит от того, как организовано хранение данных и насколько быстро позиционируются головки чтения записи на требуемую дорожку. Среднее время доступа - усредненный показатель от многочисленных тестовых проходов, и обычно, оно составляет от 10 до 18 миллисекунд и используется как базовый показатель при сравнительной оценке скорости накопителей различных производителей.

Скорость передачи данных (data transfer rate) , называемая также пропускной способностью (throughput) , определяет скорость, с которой данные считываются или записываются на диск после того, как головки займут необходимое положение. Измеряется в мегабайтах в секунду (MBps) или мегабитах в секунду (Mbps) и является характеристикой контроллера и интерфейса. Различают две разновидности скорости передачи - внешняя и внутренняя. Скорость передачи данных, также является одним из основных показателей производительности накопителя и используется для ее оценки и сравнения накопителей различных моделей и производителей.

Внешняя скорость передачи данных (external data transfer rate или burst data transfer rate) показывает, с какой скоростью данные считываются из буфера, расположенного на накопителе в оперативную память компьютера. В настоящее время, накопители с интерфейсами EIDE или Fast ATA, обычно, имеют внешнюю скорость передачи данных от 11.1 до 16.6 мегабайта в секунду, а для накопителей с интерфейсами SCSI-2 - этот параметр находится в пределах от 10 до 40 мегабайт в секунду.

Внутренняя скорость передачи данных (internal transfer rate или sustained transfer rate) 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.

Размер кеш-буфера контроллера (internal cash size) . Встроенный в накопитель буфер выполняет функцию упреждающего кэширования и призван сгладить громадную разницу в быстродействии между дисковой и оперативной памятью компьютера. Выпускаются накопители с 128,256 и 512 килобайтным буфером. Чем больше объем буфера, тем потенциально выше производительность при произвольном "длинном" чтении/записи. Также, более емкий буфер обеспечивает рост производительности дисковой подсистемы, во-первых, при работе с объемными упорядоченными (записанными на диски последовательно) данными, а во-вторых - при одновременном обращении к диску множества приложений или пользователей, как это происходит в многозадачных сетевых ОС.

Средняя потребляемая мощность (capacity) . При сборке мощных настольных компьютеров учитывается мощность, потребляемая всеми его устройствами. Современные накопители на ЖД потребляют от 5 до 15 Ватт, что является достаточно приемлемым, хотя, при всех остальных равных условиях, накопители с меньшей потребляемой мощностью выглядат более привлекательно. Это относится не только к экономии электроэнергии, но и надежности, т.к. более мощные накопители рассеивают избыток энергии в виде тепла и сильно нагреваются. А как известно, проблемы, связанные с изменением свойств магнитных носителей напрямую зависят от их температуры и коэффициента расширения/сжатия материала.

Уровень шума (noise level) , разумеется, является эргономическим показателем. Однако, он также, является и некоторым показателем сбалансированности механической конструкции, т.к. шум в виде треска - есть не что иное как звук ударов позиционера шагового или линейного механизма, а, даже микро- удары и вибрация так не желательны для накопителей и приводят к более быстрому их износу.

Физический и логический объем накопителей. Носители жестких дисков, в отличие от гибких, имеют постоянное число дорожек и секторов, изменить которое невозможно. Эти числа определяются типом модели и производителем устройства. Поэтому, физический объем жестких дисков определен изначально и состоит из объема, занятого служебной информацией (разметка диска на дорожки и сектора) и объема, доступного пользовательским данным. Физический объем жесткого диска, также, зависит от типа интерфейса, метода кодирования данных, используемого физического формата и др. Производители накопителей указывают объемы дисков в миллионах байт, предполагая исходя из десятичной системы исчисления, что в одном мегабайте 1000000 байт. Однако, ПО оперирует не десятичной, а двоичной системами, полагая, что в одном килобайте не 1000 байт, а 1024. Такие несложные разногласия в системах исчисления приводят к несоответствиям при оценке объема накопителей, данном в описании и - выдаваемом различными программными тестами.

Одним из возможных, но не желательных способов повышения физической емкости, для производителей, является увеличение емкости сектора. В настоящее время, стандартной емкостью сектора для IBM-совместимых компьютеров является 512 байт. Многие адаптеры позволяют, в процессе физического форматирования, программным путем, изменять емкость сектора, например, до 1024 байт. При этом, соотношение пользовательских данных и служебной информации для сектора улучшается, но снижается надежность хранения данных, т.к. тот же полином ECC будет использоваться для коррекции большего объема данных.

Логический объем зависит от того, как операционная система или программа записывает информацию в сектора. В случае использования программ и операционных систем с программной компрессией данных, можно повысить объем носителя на величину, зависящую от степени сжатия данных. Для оптимального использования поверхности дисков применяется так называемая зонная запись (Zoned Bit Recording - ZBR) , принцип которой состоит в том, что на внешних дорожках, имеющих большую длину (а следовательно - и потенциальную информационную емкость на единицу площади), информация записывается с большей плотностью, чем на внутренних.

Таких зон с постоянной плотностью записи в пределах всей поверхности образуется до десятка и более; соответственно, скорость чтения и записи на внешних зонах выше, чем на внутренних. Благодаря этому файлы, расположенные на дорожках с большим диаметром, в целом будут обрабатываться быстрее файлов, расположенных на дорожках с меньшим диаметром, т.к. для них будет производится меньшее число позиционирований с дорожки на дорожку.

В ЖД последнего поколения используются технологии PRML (Partial Response, Maximum Likelihood - максимальное правдоподобие при неполном отклике) и S. M. A. R. T. (Self Monitoring Analysis and Report Technology - технология самостоятельного слежения анализа и отчетности).

Первая разработана по причине того, что при существующих плотностях записи уже невозможно четко и однозначно считывать сигнал с поверхности диска - уровень помех и искажений очень велик. Вместо прямого преобразования сигнала используется его сравнение с набором образцов, и на основании максимальной похожести (правдоподобия) делается заключение о приеме того или иного машинного слова.

Накопитель, в котором реализована технология S. M. A. R. T., ведет статистику своих рабочих параметров (количество стартов/остановок и наработанных часов, время разгона шпинделя, обнаруженные/исправленные физические ошибки и т.п.), которая регулярно сохраняется в перепрограммируемом ПЗУ или служебных зонах диска.

Эта информация накапливается в течение всего периода эксплуатации и может быть в любой момент затребована программами анализа. По ней можно судить о состоянии механики, условиях эксплуатации или примерной вероятности выхода из строя.