Betriebssysteme (4) - Speicherhierarchie (Sekundärspeicher und Tertiärspeicher)

Der Hauptspeicher wird auch als flüchtiger Speicher oder nicht-persistenter Speicher bezeichnet, d. h. die Daten im Speicher gehen beim Ausschalten oder bei einem Neustart des PC verloren.
Der Rechner kann aber erst anfangen, Programme auszuführen, wenn sie auch im Hauptspeicher vorliegen. Dafür benötigt man einen Festspeicher, der die Programme und Daten dauerhaft speichern kann, die dann in den Hauptspeicher geladen werden. Die Aufgabe für die dauerhafte Speicherung übernimmt ein Sekundärspeicher. Die gebräuchlichsten Typen von Sekundärspeicher sind zur Zeit die Magnetplatte (hard drive disc (HDD)) und der Flashspeicher (solid state drive (SSD)). Im folgenden wird nur die HDD betrachtet.

Eine Magnetplatte ist auf beiden Seiten mit einer magnetisierbaren Oberfläche beschichtet und dreht sich mit rund einhundert Umdrehungen pro Sekunde. Bei manchen Plattenlaufwerken sind mehrere Platten übereinander angebracht, die von einer gemeinsamen Spindel gedreht werden; Auf jeder Seite einer Platte gleitet auf einem dünnen
Luftkissen ein Schreib-/Lesekopf. Er wird von einem Arm geführt, der an einer Welle befestigt ist. Durch Verdrehen der Welle werden alle Köpfe simultan positioniert.

Bei der Festplatte wird die Information magnetisch gespeichert, und die Daten sind nicht spiralförmig auf der Festplatte angeordnet; vielmehr ist jede Oberfläche einer Platte in einige tausend kreisförmige Spuren gleicher Breite unterteilt, die wiederum aus einigen hundert Sektoren bestehen. Die jeweils übereinanderliegenden Spuren bilden einen Zylinder. Die weiter außen liegenden Spuren können mehr Sektoren enthalten als die inneren.

Vorsicht!

Bei starken Erschütterungen kann es vorkommen, dass ein Schreib-/Lesekopf die Plattenoberfläche im Betrieb berührt und sie beschädigt. Bei einem solchen head crash können Daten verlorengehen.

vereinfachter Aufbau einer Festplatte

Die Magnetplatte ermöglicht wahlfreien Zugriff auf einzelne Sektoren, d. h. jeder Sektor wird mit einer Adresse angesprochen. Um den Inhalt eines bestimmten Sektors zu lesen, muss zunächst der Kopf durch Verdrehen der Welle auf den richtigen Zylinder gebracht werden. Die Zeit für die Positionierung des Kopfes nennt man Positionierungszeit. Dann wird abgewartet, bis der gesuchte Sektor am Kopf vorbeiläuft (Latenzzeit). Schließlich kann der Sektorinhalt gelesen werden. Die gelesenen Daten kommen zunächst in einen Pufferspeicher (buffer). Die Zeit, die hierfür benötigt wird, nennt man Übertragungszeit. Schreibzugriffe funktionieren entsprechend. Die Zugriffszeit auf einen Sektor ist definiert als die Summe von Positionierungs-, Latenz- und Übertragungszeit.

Die Suchzeit für die Kopfpositionierung entspricht in etwa der Distanz, die der Kopf zurücklegt. Diese Distanz wird durch die Anzahl der Spuren gemessen, über die der Kopf bewegt werden muss. Folgende Maßnahmen helfen, die Suchzeit zu verringern:

• zusammengehörende Information sollte möglichst in benachbarten Sektoren und Zylindern gespeichert werden;

• wenn bei einem Plattenlaufwerk mehrere Schreib-/Leseaufträge gleichzeitig vorliegen, sollte eine günstige Bearbeitungsreihenfolge gewählt werden (disk scheduling).

Auch diese Aufgaben werden vom Betriebssystem erledigt; Es gibt mehrere Strategien, wie man die Bearbeitungsreihenfolge festlegen kann.

• FCFS (first-come, first-served) bearbeitet die Aufträge in der Reihenfolge ihres Eingangs.

• SSTF (shortest-seek-time-first) bearbeitet jeweils denjenigen Auftrag als nächsten, dessen Spur der momentanen Position des Schreib-/Lesekopfs am nächsten liegt.

• SCAN bewegt den Kopf abwechselnd von außen nach innen und von innen nach außen über die gesamte Platte und führt dabei die Aufträge aus, deren Spuren gerade überquert werden.

Tertiärspeicher

Das wesentliche Merkmal von Tertiärspeichern ist, dass sich der Datenträger preiswert herstellen und leicht vom Rechner entfernen lässt. Sie eignen sich gut für den Transfer von Daten zwischen nicht vernetzten Rechnern.

Bis ca. 2000 waren Disketten weit verbreitet, besonders bei PCs. Danach wurden Diskettenlaufwerke aber immer seltener in neue Computer eingebaut, heute sind sie praktisch verschwunden.
Als Ersatz für die Disketten kamen zunächst die CD-ROMs (compact disks, kurz CDs) und dann die DVDs (digital versatile disks) zum Einsatz. Die optischen Speichermedien Blu-ray Disk (kurz BD) und HD DVD wurden als Nachfolger der DVD entwickelt. Weiterhin zählen auch externe Festplatten, USB-Sticks, SD-Karten usw. zu der Gruppe der Tertiärspeicher.

Quelle(n)
[1] https://www.researchgate.net/publication/257283880_Available_Techniques_for_Magnetic_Hard_Disk_Drive_Read_Channel_Equalization [letzter Zugriff: 27.10.19, 15:23]
[2] Robert Geist et. al. A Continuum of Disk Scheduling Algorithms. In: ACM Transactions on Computer Systems. Volume 5, Issue 1. Seiten 77-92. New York, NY, USA. 1987. DOI: 10.1145/7351.8929