ذخيره و بازيابي در حافظه هاي جانبي (1)

مقدمه

به هر وسيله اي كه توانايي حفظ و نگهداري اطلاعات را داشته باشد به گونه اي كه كاربر بتواند در هر زمان به داده ها ي آن دستيابي ( access ) داشته باشد را حافظه مي گويند .
حافظه ها به دو دسته كلي تقسيم مي شوند :
1- حافظه اوليه (اصلي – درون ماشيني) كه پردازنده جهت اجراي برنامه ها مستقيما با آن سر و كار دارد.
2- حافظه ثانويه ( جانبي- برون ماشين ) كه جهت ضبط اطلاعات فايل ها به كار مي روند .
ما در اين مقاله تنها با حافظه هاي جانبي سر و كار داريم و از يك نظر مي توان گفت سيستم هاي كامپيوتري از دو بخش محيط درون ماشيني و محيط برون ماشيني تشكيل يافته اند . منظور از محيط درون ماشيني پردازنده . حافظه اصلي و عناصر داخلي كامپيوتر است و منظور از محيط درون ماشيني تجهيزات جانبي آن مثل هارد ديسك پرينتر و غيره مي باشد .
ما در اين مقاله با ذخيره سازي اطلاعات بر روي تجهيزات برون ماشيني سر و كار داريم .

ويژگي هاي كلي حافظه

فرار و غير فرار : حافظه هايي كه با رفتن برق اطلاعات آنها از بين مي رود حافظه هاي فرار ( Volatile ) و آنهايي كه با رفتن برق داده هاي خود را حفظ مي كنند غير فرار ( non volatile ) مي باشند و حافظه هاي اصلي اغلب فرار و حافظه هاي جانبي غير فرار مي باشند.
خواندني يا نوشتني : بعضي حافظه ها مثل RAM يا هارد ديسك خواندني نوشتني هستند . ولي بعضي ديگر مثل CD_ROM فقط خواندني هستند . به خواندن اطلاعات از حافظه اصطلاحا واكشي يا fetch گفته مي شود .
آدرس دهي : هر حافظه اي داراي يك شيوه آدرس دهي مي باشد كه به كمك آن خانه هايش دستيابي مي گردد . مثلا حافظه RAM آرايه اي از بايتهاست كه هر كدام يك آدرس ( عدد يكتا ) دارند . يا هارد ديسك به صورت سه جفت عدد ( شماره هد- شماره سيلندر – شماره سكتور ) آدرس دهي مي شوند .
ظرفيت : ظرفيت حافظه بر حسب بيت يا بايت بيان مي گردد .
زمان دستيابي ( Access time ) : از لحظه اي كه دستور خواندن و نوشتن داده مي شود تا هنگامي كه حافظه مورد نظر مورد دستيابي قرار مي گيرد را زمان دستيابي گويند . مثلا زمان دستيابي حافظه RAM حدود 120 نانو ثانيه و زمان دستيابي ديسك حدود 30 ميلي ثانيه است . يعني از اين نظر RAM در حدود 250 برابر سريعتر از ديسك مي باشد . نرخ يا سرعت انتقال ( Transfer rate ): مقدار اطلاعاتي است كه در واحد زمان از حافظه قابل انتقال است و يكي از واحد هاي آن بايت در ثانيه است .

سلسله مراتب حافظه ها :

در كامپيوتر هاي امروزي عموما سلسله مراتبي از حافظه ( مثل cache ,RAM و ديسك ) استفاده مي شود . چند علت براي اين امر عبارت است از :
1- حافظه اصلي RAM در حال حاضر همچنان محدوديت ظرفيتي دارند ( مثلا حدود 256 MB يا 1 GB )
2- فقط بخشي از اطلاعات برنامه هاي در حال اجرا لازم است در حافظه اصلي قرار گيرد و لازم نيست تمام بخشهاي همه برنامه ها به حافظه RAM آورده شود .
3- حافظه هاي سريع گران هستند .
4- اندازه اطلاعاتي كه انسان امروزي زخيره مي كند خيلي زياد است و به صورت تصاعدي نيز زيادتر مي شود . اين حجم عظيم داده ها را نمي توان در حافظه اصلي نگهداري كرد .
5- حافظه هاي درون ماشيني اغلب فرار هستند و داده هاي آنها با رفتن برق از بين مي رود .
6- بسياري از برنامه ها به حافظه اي بيشتر از RAM نياز دارند . در اين حال مثلا از بخشي از ديسك به عنوان حافظه مجازي استفاده مي كنند .
7- هنگامي كه چندين پردازنده مي خواهند به صورت موازي به اطلاعاتي دسترسي داشته باشند مي توان آن اطلاعات را مثلا بر روي ديسك به اشتراك گذاشت.
پس در عمل جهت به كارگيري مزاياي حافظه هاي درون ماشيني ( سرعت زياد ) و برون ماشيني ( ظرفيت بالا و هزينه كم و ماندگار بودن ) تركيبي از آن دو در كامپيوتر ها استفاده كرد .
در ليستي از حافظه كه در زير آمده به ترتيب ظرفيت ها افزايش يافته و سرعت و هزينه ها كاهش مي يابد :
1-ثبات
2-حافظه هاي cache يا نهان
3- حافظه اصلي
4- حافظه فلاش ( Flash )
5 - ديسك مغناطيسي
6- ديسك نوري
7- نوار مغناطيسي

منظور از ذخيره و بازيابي اطلاعات(ساختار فايل)

منظور از ساختار فايل سازماندهي داده ها روي دستگاههاي ذخيره سازي ثانويه است . به عبارت ديگر نحوه ذخيره داده ها در فايل ها و عمليات لازم براي دستيابي به داده ها بر روي حافظه هاي جانبي . بهينه كردن طراحي ساختار فايل ها ممكن است باعث گردد تا برنامه ها صدها بار سريعتر اجرا گردند . امروزه اغلب براي ذخيره و بازيابي از حافظه ديسك استفاده مي گردد و مشكل اصلي در طراحي ساختار فايل زمان نسبتا زيادي است كه براي بازيابي اطلاعات از ديسك لازم است . مهمترين فاكتور در طراحي ساختار فايلها به حداقل رساندن تعداد دستيابي به ديسك و به حداكثر رساندن احتمال وجود اطلاعات مورد نياز در حافظه اصلي است.
در اين طراحي سعي بر آن است كه اطلاعات مورد نياز را در صورت امكان تنها با يك بار مراجعه به ديسك بدست آوريم . زماني كه محتويات فايلها تغيير نمي كند رسيدن به اين هدف چندان سخت نيست ولي هنگامي كه فايلها بر اثر حذف و اضافه كوچك و بزرگ مي شوند حفظ اين ويژگي مشكل مي گردد .
بديهي است كه قبل از بررسي انواع ساختار فايلها لازم است كه شناخت كافي از حافظه هاي مورد نياز براي فايلها را داشته باشيم .
اگر فايلها فقط در حافظه اصلي نگهداري مي شدند نيازي به علم ساختار فايلها نبود . اين نياز از آنجا ناشي مي شود كه زمان دستيابي در حافظه جانبي بسيار بيشتر از زمان دستيابي به حافظه اصلي است و از طرف ديگر زمان دستيابي براي همه داده ها در حافظه جانبي يكسان نمي باشد .

تاريخچه طراحي ساختار فايل

در ابتدا فايلها بر روي رسانه نوار ذخيره مي شدند و بدين دليل دستيابي به صورت ترتيبي بود و زمان دستيابي متناسب با اندازه فايل زياد مي شد . امروزه با گسترش ديسكها از نوارها تنها جهت بايگاني استفاده مي گردد .
يكي از روشهاي بهبود زمان دستيابي استفاده از انديسهايي بود كه به فايلها اضافه مي شدند . بدين ترتيب ليستي از كليدها و يا اشاره گر ها در يك فايل كوچك ذخيره مي شوند كه جستجو در آن با سرعت بيشتري انجام مي پذيرد . اين انديسها ساده مشابه فايل هاي داده اي طبيعي ترتيبي داشته و با رشد فايله انديسها نيز رشد كرده و مديريت آنها مشكل مي گردد .
در دهه 1960 ساختار درختي مطرح و استفاده گرديد . ولي درخت ها با حذف و اضافه شدن ركوردها ممكن است به صورت نا مناسبي رشد كرده و در نتيجه باعث گردد كه جستجوي يك ركورد به دستيابي هاي متعددي به ديسك نياز داشته باشد .
در سال 1963 درخت دودويي خود تنظيم ( AVL ) براي اطلاعات موجود در حافظه ابداع شد . بعد ازآن سعي شد اين ساختار به نحوي براي فايلها نيز استفاده گردد . مشكل اصلي آن بود كه حتي با يك درخت AVL دها دستيابي براي جست و جوي يك ركورد حتي در يك فايل با اندازه متوسط مورد نياز است . ده سال بعد اين مشكل با ابداع درخت B (B-tree ) بر طرف گرديد . هر چند كه سرعت دستيابي درخت B خيلي خوب است ولي دستيابي ترتيبي در آن كارآمد نمي باشد . اين مشكل با اضافه كردن يك ليست پيوندي به سطح پاييني درخت B بر طرف گرديد . تركيب درخت B و ليست پيوندي را درخت B مي گويند . سيستم هاي تجاري زيادي بر مبناي درختهاي B و B + پديد آمدند .
استفاده از درخت B تضمين مي كند كه جستجوي يك ركورد از ميان ميليون ها ركورد تنها با سه يا چهار بار مراجعه به ديسك امكان پذير است . همچنين با استفاده از درخت B با حذف و اضافه ركوردها كارآيي تغيير نمي كند .
با آنكه توانايي جستجوي اطلاعات با 3 يا 4 بار دستيابي خيلي خوب است ولي اگر بخواهيم داده ها را با يك دستيابي بدست آوريم از روش در هم سازي ( hashing ) استفاده مي كنيم . روش درهم سازي براي فايلهايي كه چندان تغيير نمي كنند مناسب است . البته با در هم سازي پويا مي توان اطلاعات را با يك يا حداكثر دو بار دستيابي به ديسك بدست آورد و اين ربطي به اندازه فايل ندارد .

انواع حافظه هاي جانبي

انواع حافظه هاي جانبي را از نظر تكنولوژي ساخت مي توان به چهار دسته زير تقسيم كرد :
1- تكنولوژي الكترو مكانيكي: كارت و نوار منگنه شدني
2- تكنولوژي الكترومغناطيسي : نوار مغناطيسي و ديسك و طبله
3- تكنولوژي الكترو ابتيك : ديسك نوري
4- تكنولوژي مغناطيسي نوري : ديسكهاي MD
در ادامه ويژگي هاي كلي حافظه نوار كاغذي و ديسك نوري و CD و DVD و حافظه هاي مغناطيسي را برسي مي كنيم .

نوار مغناطيسي (Magnetic Tape)

رسانه ایست از جنس نوعی پلاستیک با غشاء مغناطیس شونده بر یک رویه ( فرو مغناطیسی ) و لغزان بر ریل هایی با ابعاد مختلف، ابعاد نوعی از نوار 2500 فوت طول و 2/1 اینچ عرض است . در اندازه های دیگر نیز موجود است . این رسانه ماهیتاً برای پردازش پی در پی رکوردها مورد استفاده قرار می گیرد . از نظر تکنولوژی ساخت ، به چهار دسته کلی تقسیم می شود :
1. ریل به ریل
2. نوار کارتریج
3. نوار کاست
4. نوار صوتی تطبیق داده شده با کامپیوتر
دستگاه نوار خوان مجهز است به نوک خواندن / نوشتن که می تواند اطلاعات را روی نوار ظبط و یا اطلاعات ضبط شده را " حس " کند

نحوه ذخیره سازی داده روی نوار

داده ها به صورت رشته های بیتی روی شیارهایی که در سطح نوار وجود دارد ، ذخیره می شوند . بیت های یک کاراکتر ، روی شیارها و در عرض نوار ضبط می گردند .
از نظر تعداد شیار ، دو نوع نوار رایجتر است : نوار 7 شیاره و نوار 9 شیاره . یکی از شیارها ، به عنوان شیار کنترل پاریتی به کار می رود .
در نوار دو نوع بیت پاریتی وجود دارد :
1. بیت پاریتی عرضی یا کاراکتری
2. بیت پاریتی طولی
بیت پاریتی عرضی برای هر کاراکتر و بیت پاریتی طولی ، برای تعدادی کاراکتر مثلاً به ازاء یک بلاک ایجاد می شود .
داده های ذخیره شده روی نوار ، در سطح فیزیکی ، تعدادی رشته بیتی موازی هستند . چنین دیدی از داده ذخیره شده روی سیستم فایل مطرح نیست . به بیان دیگر ، از نظر سیستم فایل ( که خود سطوحی دارد ) داده ها در قالب تقسیمات خاصی ذخیره می شوند ، هریک با ساختار مشخص ( این تقسیمات عبارتند از فیلد ، رکورد ، بلاک ، تعدادی بلاک با نام مشخص ، فایل و گروه فایلها . ) توجه داریم که فیلد می تواند حاوی یک کاراکتر هم باشد .

چگالي نوار Density :

تعداد بیت های قابل ضبط در هر اینچ نوار را چگالی گویند . چگالی را با واحد بیت در اینچ (bpi) بیان می کنند که با توجه به نحوه نشست کاراکترها روی شیارها ، همان بایت در اینچ یا کاراکتر در اینچ است . از جمله چگالی رایج ، 800bpi ,1600bpi است . البته نوار با چگالی 3200bpi , 6250bpi و بیشتر نیز وجود دارد .

گپ

فضایی است بلا استفاده بین دو گروه کاراکتر ضبط شده . کلمه گروه در اینجا هم به رکورد اطلاق می گردد و هم به بلاک . در صورتی که بین هر دو بلاک باشد به آن گپ بین بلاکها و اگر گپ بین دو رکورد باشد ، به آن گپ بین رکوردها می گویند .
وجود گپ برای متوقف کردن نوار و یا حرکت دوباره آن لازم است.زیرا برای آنکه نوک خواندن / نوشتن بتواند داده ای ذخیره شده را " حس " کند ، باید که نوار ، پس از توقف به سرعتی مطلوب و یکنواخت موسوم به سرعت حس برسد ، ودر این اثناء این مدت تکه ای از نوار زیر نوک R/W می گذرد ، ضمن اینکه در حین کاهش سرعت حس تا توقف نیز تکه ای از نوار از زیر نوک رد می شود . این دو تکه نوار همان گپ را تشکیل می دهند و چون این قسمت از نوار در حالت توقف – حرکت با سرعت کمتر از سرعت حس طی می شود ، نمی توان داده ای را در این قسمت حس کرد و در نتیجه بلا استفاده ( "هرز " ) است .

پارامترهای نوار

دودسته پارامتر وجود دارد :
1. پارامترهای ظرفیتی
2. پارامترهای زمانی ( یا وابسته به زمان )
پارامترهای ظرفیتی عبارتند از :
1. چگالی ( تراکم ) : به واحد بیت در اینچ (BPI)
2. طول نوار : به واحد فوت
با داشتن این دو پارامتر می توان ظرفیت اسمی نوار را به دست آورد S=L×D
پارامترهای زمانی عبارتند از :
1. سرعت لغزش نوار به واحد اینچ در ثانیه .
2. نرخ انتقال به واحد بایت در ثانیه ( یا اضعافی از بایت در ثانیه)نرخ انتقال دو نوع است : اسمی و واقعی . نرخ اسمی توسط سازنده اعلام می شود و نرخ انتقال واقعی قابل محاسبه است .
3. زمان حرکت – توقف به واحد میلی ثانیه . این زمان در واقع تفاوت بین زمان طی کردن گپ با سرعت حس و زمان طی کردن گپ در حالت توقف نوار و حرکت دوباره آن تا رسیدن به سرعت حس است .
ادامه دارد ....
ارسال مقاله توسط عضو محترم سایت با نام کاربری : sm1372
/س