11 주차 보조기억장치

보조 기억 장치 개념 2  보조기억장치란 ?  Auxiliary memory, auxiliary storage, secondary storage, secondary memory, external memory  비휘발성, 저가, 대용량, CPU 에 의해 직접 접근되지 않고, I/O 채널을 통해 접근됨  Flash memory, Hard disk, floppy disk, CD, DVD  플래시 메모리로 만든 SSD(Solid state drive)  보조기억장치를 가진 메모리 계층 구조

보조기억장치의 연결 3  병렬 케이블 IDE (Integrated Drive Electronics) parallel interface  직렬 연결 SATA (Serial Advanced Technology Attachment): faster

메모리 계층 구조를 통한 데이터 이동 4  메모리 계층 구조를 통한 데이터 이동

보조 기억 장치의 평가 5  평가 기준  저장 용량 (capacity)  접근 속도 (access time)  전송률 (transfer rate)  크기  분리 여부 (mobility) - 휴대성  비용 (cost)

자기 기억 장치 (Magnetic Storage) - 자기디스크 6  자기 디스크 (Magnetic disk) 의 구 성 요소  원형 평판 (Circular platter)  헤드 (Head) 하나의 평판에 아래 위 로 2 개의 헤드 존재 트랙 위를 움직이면서 정보 입출력  디스크 암 (Disk arm) 헤더를 이동시키기 위 한 장치  구동장치 (Actuator) 스텝 모터

디스크 조직과 구동 7  실린더, 트랙, 섹터  번호는 0 부터  동축 상의 트랙들을 실린더라고 함  한 장의 플래터의 아래 위 판 모두 정보 기록 플래터 한 장당 2 개의 헤더 하나의 트랙은 여러 개의 섹터로 분할됨  섹터 디스크 입출력 최소 기본 단위, 512Byte( 전통적인 섹터 512B, 최근 4096B 섹터 )  등각속도 (CAV: Constant Angular Velocity) 방식의 저장  트랙당 섹터의 개수 일정  안쪽의 섹터의 밀도가 높음  1990 년대부터 외부 트랙의 밀도를 높여 zone 으로 구분하는 디스크 많음 바깥에서부터 트랙 0 시작, 안쪽으로 이동

디스크 포맷 8  디스크 포맷팅 Disk 구성 검사 구성 정보, track 시작점, sector 시작과 끝 구분을 위한 제어 정 보 저장 오류 검출 코드, Cyclic Redundancy check

Advanced Format 9 Modern hard disk drives, such as Serial attached SCSI (SAS) [8] and Serial ATA (SATA) [9] drives, appear at their interfaces as a contiguous set of fixed-size blocks; for many years 512 bytes long but beginning in 2009 and accelerating through 2011, all major hard disk drive manufacturers began releasing hard disk drive platforms using the Advanced Format of 4096 byte logical blocks. [10][11]Serial attached SCSI [8]Serial ATA [9]interfaces Advanced Format [10][11] 기존 섹터 사이의 중복 정보 제거 남은 공간으로 ECC 코드의 크기 확장 – 더 많은 오 류 수정 가능 운영체제의 페이 지 크기를 고려하 고 4KB 로 결정

고정 헤드 방식과 이동 헤드 방식 비교 10

하드 디스크의 물리적 주소 11  운영체제의 입출력 명령  논리 블록 주소 (LBA Addressing) : 디스크의 모든 섹터 를 0 에서 부터 번호를 붙여 인식  디바이스 드라이버나 디크스 제어 장치의 펌웨어  논리 블록 주소를 물리 주소로 변환  물리 주소 : 헤드번호 + 트랙번호 + 섹터  디스크 제어 장치에 전달

디스크 입출력 시간 12  디스크 접근 시간 (disk access time) 탐색 시간 (seek time) 이동하는 트랙 수에 비례 초기 이동 시작 시간과 암이 서는 시간이 김 최근 평균 5.5ms 회전 지연 시간 (rotational latency) 평균 회전 지연 시간 = 1/2 회전 시간 회전수, 3600rpm, 5400rpm, 7200rpm, 10000rpm, 15000rpm 3600rpm 의 경우, 3600/60 초 = 60 회 / 초 = 16.7ms/1 회전 10000rpm 의 경우 대략 3ms 전송 시간 (transfer time) 전송률 x 입출력바이트수 전송률 : 트랙의전체바이트수 /1 회전시간

플로피 디스크 13  Floppy disk

광학 디스크 (optical disk) 14  레이저 (Laser)  금속막이 태워진 부분과 그렇지 않은 부분으로 정보 분별  광선으로 정보 입출력  compact disk digital audio system  1980 년대 초반  장점  대용량  영구적  Direct access  종류  Read only: CD-ROM  Write once/read  Rewritable disk: CD-RW, DVD-RAM

CD-ROM 15  CD (Compact Disk)  디지털화된 음향정보 저장 : CD-DA (digital audio) 방식  Computer 에서 사용하는 정보 저장용 CD-ROM  레이저 광선으로 표면에 미세한 구멍의 흠집 피트 (pit) 를 만들어 디지털 정보 저장  정보 검색 : 레이저의 반사되는 빛의 강도로 신호 검출  특징  저가, 대량 복제 가능  Only read, magnetic disk 보다 access time 이 길다.

CD-ROM 구동 방식 16  등각속도 Constant angular velocity  magnetic storage 회전 속도 항상 일정, 안쪽 트랙의 밀도 높음, 자기 디스크 CD-ROM 에서 12 배속보다 큰 경우 사용  등선속도 Constant linear velocity  optical storage 데이터 저장 밀도 균일, 안쪽 트랙의 회전 속도 높음 오디오 비디오처럼 트랙을 일정한 속도로 읽거나 써야 하는 광학 장치 경 우

CD-ROM 의 속도 17  CD-ROM 의 속도  전송률 (transfer rate) 로 표현 음악 CD 의 재생과 관련하여 표현 탐색 회전 등을 모두 고려하여 CD-ROM 이 CD 를 읽어내어 전송하는 속도  기본 단위는 1 배속  배속  1 배속 = 1x 로 표시, 150KB/s 의 전송 속도 (MPEG1 의 압축률 기준 ) 1.2m/s 의 속도로 트랙 이동 ( 탐색속도 ) 200rpm( 바깥 트랙 ) -> 500rpm( 안 트랙 ), 등선속도 방식, 이동하면서 회전 속도 조절  8x = 1200KB/s 9.6m/s 의 속도로 트랙이동 1600rpm( 바깥 트랙 ) ~ 4000rmp( 안 트랙 ), 등선속도 방식, 이동하면서 회전 속도 조절  12x 보다 큰 경우 (12 배속은 등선속도 )  20 배속 이상  등각속도 (CAV:Constant Angular velocity) 로 작동  현재 72x 까지 있음

CD-ROM 데이터 액세스 절차 18  CLV 방식의 CD-ROM 에서 data access 절차

CD-R(Recordable) 과 CD-RW(Rewritable) 19  WORM(Write once Read many) 광 전도성 염료층 (organic photoconductive dye layer) 물질이 입혀진 디스크 표면 열로 태워 정보 표현  CD-RW  1000 번 정도 재기록

DVD(Digital Versatile Disc) 와 블루레이 20  DVD  CD 용보다 파장이 짧은 레이저 사용  단면 : 4.7GB  단면 2 layer: 8.5GB  양면 2 layer: 17GB  DVD-R, DVD-RW  블루레이 (Bluray)  HD 비디오를 저장하기 위한 매체  DVD 의 5 배 용량  25GB~50GB, HDTV 2 시간 분량  저작권 보호 및 인증 기능

RAID(Redundant array of inexpensive disks) 21  RAID( 디스크 배열 )  작은 용량의 디스크를 여러 배열로 사용하는 방식 ’ 이 디스크 배열을 운영체제에 의해 하나의 디스크로 인식되고 다루어짐  하나의 고용량 디스크 (SLED: single large expensive disk) 보다 장점 더 많은 용량, 가격대비 높은 입출력 성능 신뢰도 증가 디스크 하나를 사용하는 경우, 고장 나면 치명적 여러 개를 사용하여 하나가 고장 나더라도 다른 것으로 대치하는 전략 availability( 가용성 ) -> gracefully degradable  MTTF: mean time to failure  고장날 때까지의 평균시간 한 개를 사용할 때 보다, 여러 개를 사용하면 시스템 전체적으로 고장률 증가 RAID 를 이용하여 MTTF 를 증가 시키는 기법 설계

SLED 와 RAID 22  SLED, small disk, disk array 의 비교

23 LevelDescription Minimu m # of d rives** Space effici ency Fault tolerance Read perfor mance Write perform ance Figure RAID 0 Block-level striping without parity or mir roring 210 (none)nX RAID 1 Mirroring without pa rity or striping 21/nn−1 drivesnX*****1X RAID 2 Bit-level striping wit h dedicated Hammi ng-code parity 3 1 − 1/n ⋅ log 2 (n-1) RAID 2 can recov er from one drive failure or repair c orrupt data or par ity when a corrupt ed bit's correspon ding data and par ity are good. Variable RAID 3 Byte-level striping w ith dedicated parity 31 − 1/n1 drive(n−1)X(n−1)X* RAID 4 Block-level striping with dedicated parit y 31 − 1/n1 drive(n−1)X(n−1)X* RAID 5 Block-level striping with distributed parit y 31 − 1/n1 drive(n−1)X* RAID 6 Block-level striping with double distribut ed parity 41 − 2/n2 drives(n−2)X* RAID 10 Mirroring without pa rity, and block-level striping 42/n1 drive / span ****nX(n/2)X

RAID 레벨 0 24  단순 블록 스트라이핑 (striping) 혹은 인터리빙 (interleaving) 라운드 로빈 방식으로 블록 배치  동시에 여러 블록 입출력 가능, 성능 향상  각 디스크에 균등한 작업 부하  디스크 하나의 고장에 취약, 신뢰도는 SLED 에 비해 ¼  Read 원하는 블록에 해당하는 디스크에서 읽기  Write 해당하는 블록의 디스크에 쓰기

RAID 레벨 1 25  Disk Mirroring 이라고 부름  두 개로, 원본과 복사본 유지 항상 동일함 값 유지  Read 둘 중 헤드의 위치가 가까운 것에서 읽기 읽기 성능 향상  Write 한 블록을 쓰면 두 개의 디스크를 각각 작동시켜 쓰기 쓰기 성능 저하, write-back 기법으로 성능 하락 감소 시킴  공간 활용률 :1/2  고장 발생시 대처 한 개의 디스크가 고장 나도 동작 가능 실시간으로 고장난 디스크 교체, 정상 디스크로 복사  용도 신뢰도가 높아야 하는 시스템에서 사용, 은행 등

RAID 2 – bit striping with parities 26  RAID2,3,4 : 패리티 전용 디스크 사용

RAID 레벨 5 27  패리티 전용 디스크 없이 패리티 분산  1 비트 오류 수정 가능, 용량과 성능 모두 우수  RAID 레벨 6  이중 패리티 사용, RAID 5 보다 높은 신뢰성

Flash Memory 28  특징  EEPROM 의 한 종류, 1984 고안  Block 단위 access  하드 디스크 보다 빠름  Read: RAM 과 유사  Write: RAM 과 달라 느림  USB memory  Flash memory + USB port

Flash Memory 실현 29  SD card (Secure digital card): Flash memory card  Memory stick  Sony, 1998  CF (Compact flash) memory  Sandisk, 1994