Что такое кэш и зачем он нужен в HDD??

Желаю доброго времени суток своим читателям, интересующихся подробностями работы компьютерного железа. Сегодня предметом нашего обсуждения будет кэш память жесткого диска. Буферизация данных применяется в различных процессах, но именно в данном устройстве ее использование дает ощутимый прирост быстродействия, нивелируя недостатки процесса считывания.

Для начала немного истории, которая раскрывает суть термина «cache».

В далеком 1967 году, при подготовке статьи о 85-й модели компьютера BM System/360 было решено найти лаконичную и более понятную замену определению «высокоскоростной буфер». Редактор журнала «IBM Systems Journal» Лайл Джонсон предложил использовать слово «кэш» (в разных европейских языках означающее понятие «прятать», «тайник», «запас»). Этот термин оказался не только простым и удобным, но и точно определял суть используемого устройства. Он прижился, стал общепринятым.

Что делает кэш в вашем винчестере?

Теперь взглянем на принцип работы жесткого диска HDD, который хоть и вытесняется в компактных устройствах твердотельными накопителями, но, пожалуй, еще долго будет оставаться основным средством хранения информации.

Итак, внутри его расположены несколько вращающихся магнитных пластин. Считывающие головки перемещается в нужный сектор и производят запись или чтение информации. (Визуально все это напоминает проигрыватель винилов).

Как видите, механизмов в данном устройстве предостаточно, и, несмотря на сверхвысокие скорости их движения, обращение к HDD за очередной порцией данных занимает очень много (по меркам быстродействия ЦПУ) времени. Усугубляет данную ситуацию тот факт, что информация записана на поверхности дисков фрагментами, которые могут быть расположены в разных местах и на отдельных пластинах.

Так вот, чтобы системе не заниматься черновой работой складывания воедино отдельных блоков информации, данную работу было решено получить самому жесткому диску, который будет сам связывать их воедино в собственном кэше. Условно, можно обрисовать такую аналогию данного процесса: боссу понадобилась вся информация по сделке и подчиненный, дабы не носить в кабинет по отдельному документу, предварительно собирает и группирует их у себя в отделе.

Сразу добавлю, что в SSD проблема инертности считывания информации не стоит так критично. Здесь скорость данного процесса на несколько порядков выше. Но в связи с фрагментированием записи больших объемов данных оптимизация работы с ними также необходимо. Поэтому в некоторых твердотельных накопителях cache так же присутствует.

Кэш память – один из параметров HDD

Переходим непосредственно к железу с целью выяснить, что собой представляет кэш жесткого диска.

В HDD помимо механических деталей имеется управляющая плата с коннектроами. На ней и расположена специальная микросхема, представляющая собой память с высокоскоростным доступом. Это и есть кэш. Объем его относительно не велик и в обычных винчестерах может быть 32 и 64 мегабайта (в некоторых старых моделях встречаются еще значения 8 или 16 Мб). Этого вполне достаточно, чтобы сделать работу системы персонального компьютера плавной и быстрой.

Сколько лучше, спросите вы? Мне кажется, ответ очевиден, но некоторые блогеры отмечают, что существенную разницу между 32 и 64 Мб в процессе использования HDD уловить практически невозможно. Я же полагаю, что с ростом сложности программных задач это все-таки будет заметно.

И если вы рассчитываете выжать из своего ПК максимум, то стоить устанавливать на него лучшее из того, что вы сможете себе позволить. В пользу такой позиции говорит и тот факт, что на серверных жестких дисках уже используется кэш объемом в 128 и даже в 256 Мб. Думаю этот факт поможет ответить вам на вопрос: на что влияет объем буфера?

Выходит, что объем кэша винчестера имеет значение, и данный параметр обязательно стоит учитывать при выборе и покупке HDD. Как узнать эту цифру для новых и уже приобретенных устройств? Проще и надежнее всего уточнить маркировку модели и на сайте производителя найти официальную информацию. Так же объем буфера винчестера могут подсказать программы типа AIDA64.

Алгоритм работы кэш жесткого диска

Давайте разберемся, как работает буферная память винчестера. Основным потребителем, расположенной на нем информации является процессор. Дальше работает такая схема:

• от ЦПУ поступает запрос на контроллер, который по определенным меткам идентифицирует данные и сразу проверяет их наличие в кэше жесткого диска. Если таковые имеются, обращение к HDD не производится;
  в случае отсутствия нужной информации выполняется их считывание с винчестера, причем дополнительно захватываются и близлежащие данные, которые с большой вероятностью так же могут понадобиться при последующих запросах;
• под этот блок информации в кэш-памяти освобождается соответствующее место определенного размера. Такая процедура является непростой задачей, поскольку компьютер должен пожертвовать какими-то данными из буфера. Выбор осуществляется с помощью нескольких алгоритмов, определяющих степень «ненадобности». Для этого производится оценка по давности последнего использования информации, по частоте обращения к ней.
• актуальные данные загружаются на свободное место. Дальше процесс взаимодействия процессора и жесткого диска снова продолжается по этому алгоритму.

И еще один момент: cache винчестера – это энергозависимая память. Поэтому перед выключением ПК система копирует информацию из кэша непосредственно на сам HDD, а после включения переносить ее обратно. При аварийном обесточивании компьютера этого не происходит.

Тут мы плавно подошли к часто задаваемому вопросу: нужно ли очищать кэш память жесткого диска? Если вы о тех 64 мегабайтах, что хранятся на чипе, то мой ответ: нет, это бессмысленно. Если вам так сильно хочется, просто вырубите комп из розетки и снова включите. Стало ли вам от этого легче? Другое дело – кэш-файлы, которые оставляют на HDD разные программы. Вот они-то со временем занимают внушительный объем и для их ликвидации можно просто воспользоваться приложением типа CCleaner.

Кэширование данных собственным чипом жесткого диска предназначено для обеспечения системы цельными блоками данных, что существенно увеличивает ее быстродействие. Но помимо отдельной платы буферизация информации также может производиться и другими, хорошо известными нам способами.

• ОЗУ по сути так же является кэшем, по отношению к HDD. Она на несколько порядков больше, но скорость ее работы все равно проигрывает собственному модулю винчестера.
• На жестком диске выделяется сектор для временных файлов, которые будут записаны без фрагментирования. Это называется файл подкачки (виртуальная память) и его размеры могут превышать объем RAM.

Но это уже совершенно другие устройства, требующие отдельной статьи. А по поводу самой кэш памяти жесткого диска мне уже добавить нечего и я буду с вами прощаться.

Присылайте мне свои вопросы, подсказывайте интересные темы, и я постараюсь вас снова порадовать на страницах своего блога.

До скорых встреч!