Chapter 9 보조기억장치

보조 기억 장치 개념 보조기억장치란? 보조기억장치를 가진 메모리 계층 구조 Auxiliary memory, auxiliary storage, secondary storage, secondary memory, external memory 비휘발성, 저가, 대용량, CPU에 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 병렬 케이블 IDE (Integrated Drive Electronics) parallel interface 직렬 연결 SATA (Serial Advanced Technology Attachment): faster

메모리 계층 구조를 통한 데이터 이동 메모리 계층 구조를 통한 데이터 이동

보조 기억 장치의 분류 책 참고(384-385)

보조 기억 장치의 평가 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 자기 디스크 (Magnetic disk)의 구성 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 실린더, 트랙, 섹터 등각속도(CAV: Constant Angular Velocity) 방식의 저장 바깥에서부터 트랙 0시작, 안쪽으로 이동 디스크 조직과 구동 실린더, 트랙, 섹터 번호는 0부터 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 1990년대부터 외부 트랙의 밀도를 높여 zone으로 구분하는 디스크 많음

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

Advanced Format 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] 기존 섹터 사이의 중복 정보 제거 남은 공간으로 ECC 코드의 크기 확장 – 더 많은 오류 수정 가능 운영체제의 페이지 크기를 고려하고 4KB로 결정

고정 헤드 방식과 이동 헤드 방식 비교

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

디스크 입출력 시간 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 3600rpm의 경우, 3600/60초 = 60회/초 = 16.7ms/1회전 10000rpm의 경우 대략 3ms 전송 시간(transfer time) 전송률 x 입출력바이트수 전송률 : 트랙의전체바이트수/1회전시간

2.1 Magnetic Disk Memory (6) Example: average access time (Ta) Average seek time = 15ms Transfer rate = 1Mbyte/sec Sector size = 512 Bytes # of sectors per track = 32 128Kbyte file  256 sectors Rotation time = 16.7ms

2.1 Magnetic Disk Memory (7) Sequential organization How many tracks? First track: 15ms + 8.3ms + 16.7ms = 40ms Other tracks: 0ms + 8.3ms + 16.7ms = 25ms Total = 40ms + 25ms ×7 = 215ms Sector들이 disk에 분산되어 있는 경우 15ms + 8.3ms + 0.5ms = 23.8ms Total = 23.8ms × 256 = 6092.8ms

플로피 디스크 Floppy disk

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

CD-ROM CD (Compact Disk) Computer에서 사용하는 정보 저장용 CD-ROM 특징 디지털화된 음향정보 저장: CD-DA (digital audio) 방식 Computer에서 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 disk보다 access time이 길다.

CD-ROM 구동 방식 등각속도 Constant angular velocity  magnetic storage 회전 속도 항상 일정, 안쪽 트랙의 밀도 높음, 자기 디스크 CD-ROM에서 12배속보다 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-ROM의 속도 CD-ROM의 속도 배속 12x 보다 큰 경우(12배속은 등선속도) 현재 72x 까지 있음 전송률(transfer rate)로 표현 음악 CD의 재생과 관련하여 표현 탐색 회전 등을 모두 고려하여 CD-ROM이 CD를 읽어내어 전송하는 속도 기본 단위는 1 배속 배속 1 배속 = 1x 로 표시, 150KB/s의 전송 속도(MPEG1의 압축률 기준) 1.2m/s의 속도로 트랙 이동(탐색속도) 200rpm(바깥 트랙) -> 500rpm(안 트랙), 등선속도 방식, 이동하면서 회전 속도 조절 8x = 1200KB/s 9.6m/s의 속도로 트랙이동 1600rpm(바깥 트랙) ~ 4000rmp(안 트랙), 등선속도 방식, 이동하면서 회전 속도 조절 12x 보다 큰 경우(12배속은 등선속도) 20배속 이상 등각속도(CAV:Constant Angular velocity)로 작동 현재 72x 까지 있음

3-1. CD-ROM (3) CLV방식의 CD-ROM에서 data access 절차

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

DVD(Digital Versatile Disc)와 블루레이 CD용보다 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 DVD의 5배 용량 25GB~50GB, HDTV 2시간 분량 저작권 보호 및 인증 기능

RAID(Redundant array of inexpensive disks) 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 RAID를 이용하여 MTTF를 증가 시키는 기법 설계

SLED와 RAID SLED, small disk, disk array의 비교

Level Description Minimum # of drives** Space efficiency Fault tolerance Read performance Write performance Figure RAID 0 Block-level striping without parity or mirroring 2 1 0 (none) nX RAID 1 Mirroring without parity or striping 1/n n−1 drives nX***** 1X RAID 2 Bit-level striping with dedicated Hamming-code parity 3 1 − 1/n ⋅ log2(n-1) RAID 2 can recover from one drive failure or repair corrupt data or parity when a corrupted bit's corresponding data and parity are good. Variable RAID 3 Byte-level striping with dedicated parity 1 − 1/n 1 drive (n−1)X (n−1)X* RAID 4 Block-level striping with dedicated parity RAID 5 Block-level striping with distributed parity RAID 6 Block-level striping with double distributed parity 4 1 − 2/n 2 drives (n−2)X* RAID 10 Mirroring without parity, and block-level striping 2/n 1 drive / span **** (n/2)X

RAID 레벨 0 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 SLED에 비해 ¼ Read 원하는 블록에 해당하는 디스크에서 읽기 Write 해당하는 블록의 디스크에 쓰기

RAID 레벨 1 Disk Mirroring 이라고 부름 두 개로, 원본과 복사본 유지 Read Write 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-back기법으로 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

RAID 레벨 5 패리티 전용 디스크 없이 패리티 분산 RAID 레벨 6 1비트 오류 수정 가능, 용량과 성능 모두 우수

Flash Memory 특징 USB memory EEPROM의 한 종류, 1984 고안 Block 단위 access 하드 디스크 보다 빠름 Read: RAM과 유사 Write: RAM과 달라 느림 USB memory Flash memory + USB port

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