Arvuti mälu ja andmesalvestus: mäluhierarhia (primaarne, sekundaarne)
Arvuti andmesalvestus on arvuti mitmete komponentide nimetus, mille peamine eesmärk on andmete salvestamine ja kättesaadavaks tegemine töötlemiseks. Seejärel saab keskne protsessor neid andmeid välja võtta, töödelda ja vajadusel tagasi salvestada. Enamikus arvutisüsteemides kasutatakse mitmetasandilist arvutimälu, ehk mäluhierarhiat: mälu, mis asub lähemal protsessorile, on tavaliselt oluliselt kiiremini kättesaadav, kuid ka mahult väiksem; sagedasti salvestatud andmete hoidmiseks sellisesse mälu on vaja elektrienergiat (see liigitub volatiilseks mäluks).
Mälutasemed ja nende omadused
- Registrid — protsessori sees olevad väga väikese mahuga ja äärmiselt kiirelt ligipääsetavad üksused. Need on kõige kiiremad mäluüksused ja on otseselt ligipääsetavad protsori käskudega (registrid).
- Vahemälu (cache) — mitu taset (näiteks L1, L2, L3), mis hoiavad sagedasti kasutatavaid andmeid ja juhiseid, et vähendada ligipääsu latentsust põhimälule.
- Põhimälu (RAM) — suurema mahuga, kuid aeglasem kui vahemälu; see on tavaliselt volatiilne (vajab elektrienergiat andmete hoidmiseks) ja pakub otsest aadresseeritavust protsessori poolt.
- Sekundaarsed salvestusseadmed — mitteotseselt protsessorile ligipääsetavad salvestuskandjad, mis pakuvad palju suuremat mahtu, ent väiksemat kiirust. Näited: kõvakettad (HDD), SSD-d, ja USB-mälupulgad. Sekundaarsetelt kandjatelt loetud andmed tuleb tavaliselt enne töötlemist viia põhimällu.
- Tertsiaarne ja arhiveerimine — mõeldud pikaajaliseks arhiveerimiseks ja varundamiseks; ligipääs on tavaliselt aeglane või nõuab füüsilist vahetust. Siia kuuluvad näiteks magnetlint ja CD-ROM. Tihti kopeeritakse tertsiaarne salvestus enne kasutamist sekundaarsesse salvestusse.
Olulised erinevused tasemete vahel
- Kiirus (latentsus ja läbilaskevõime): registrid ja vahemälu >> RAM >> SSD/HDD >> optiline-tape.
- Maht: registrid < vahemälu < RAM < sekundaarne salvestus.
- Püsivus: volatiilsed (nt DRAM) kaotavad sisu voolu puudumisel; mittevolatiilsed (nt SSD, HDD, magnetlint) säilitavad andmed ilma toiteallikata.
- Kulu ühe bitti kohta: üldiselt langeb see, mida kaugemal ja aeglasem on salvestuskiht.
- Andmete aadresseerimine: põhimälu on tavaliselt bait- või sõneaadresseeritav; enamik sekundaarsetest seadmetest töötavad plokkide kaupa.
Sekundaarsed ja tertsiaarsed kandjad
Sekundaarsed ruumid hõlmavad nii traditsioonilisi kõvakettaid kui ka kaasaegsemaid USB-mälupulki ja SSD-sid. Sekundaarsel kujul ei ole protsessoril tavaliselt otsest ligipääsu — andmed tuleb enne töötlemist laadida põhimällu. Lisaks ühe klassikalise lahenduse lindikettad on äärmiselt suure mahu ja madala kuluga, kuid väga aeglase ligipääsuga.
Mittelenduvpüsimälu (näiteks NAND-flash ja teised EEPROM-põhised lahendused) on levinud SSD-de ja USB-mälupulkade puhul; neid on kirjeldatud ka kui mittelenduvat püsimälu. Flash‑põhiste seadmete puhul tuleb arvestada kirjutustsüklite piiriga ning kasutada mehhanisme nagu wear-leveling, et parandada tööiga.
Arhiveerimine ja tarkvara levitamine
Tertsiaarse salvestuse eesmärk on pikaajaline säilitus ja varundamine. Sageli kasutatakse magnetlinti ja optilisi kandjaid nagu CD-ROM varundamiseks või tarkvara ja andmete arhiveerimiseks. Näiteks mõnel juhul levitatakse Tarkvara või suurte andmemahtude koopiad tertsiaarsetel kandjatel, kuna need on odavad ja stabiilsed pikaajaliseks hoiustamiseks.
Täiendavad mõisted
- Virtuaalmälu ja swapimine: kui põhimälu saab täis, võib operatsioonisüsteem viia vähemkasutatavad lehed sekundaarsele kettale (swap/page file). See võimaldab käivitada suuremaid programme, kuid aeglustab süsteemi, kuna kettale kirjutamine/ lugemine on palju aeglasem kui RAM-is.
- Failisüsteemid ja andmestruktuurid: sekundaarsetel kandjatel haldab andmete korraldust failisüsteem; see määrab, kuidas failid salvestatakse, indekseeritakse ja leitakse.
- Liidesed ja protokollid: kettad ja SSD-d võivad ühendada erinevate liideste kaudu (näiteks SATA, NVMe/PCIe), mis mõjutab jõudlust ja latentsust.
Kokkuvõtteks: mäluhierarhia põhieesmärk on optimeerida andmete kättesaadavust, jõudlust ja maksumust: kõige kiiremad ja kõige kallimad mälud on väiksema mahuga ning asuvad protsessorile lähemal, samas kui odavamad ja mahukamad lahendused on aeglasemad ja asuvad hierarhias allpool. Süsteemi kujundamisel tuleb arvestada tasakaalu kiiruse, mahu, püsivuse ja kulude vahel.
40 GB PATA kõvaketas (HDD); arvutiga ühendatuna on see sekundaarne mäluseade.
160 GB SDLT lindikassett, näide offline-salvestusest. Kui seda kasutatakse robotlindiraamatukogus, liigitatakse see hoopis tertsiaarseks salvestuseks.
Küsimused ja vastused
K: Mis on arvuti andmesalvestus?
V: Arvuti andmesalvestus on nimetus arvutite mitmetele komponentidele, mida kasutatakse andmete salvestamiseks.
K: Mis on nende komponentide eesmärk?
V: Nende komponentide peamine eesmärk on andmete salvestamine, et keskseadme abil oleks võimalik neile ligi pääseda ja neid muuta.
K: Kuidas töötab mäluhierarhia?
V: Enamikus arvutites on olemas arvutimälu hierarhia, kus mälu, mis on protsessorile lähemal, on tavaliselt kiiremini kättesaadav, kuid väiksema suurusega, samas kui protsessorist kaugemal asuvale mälule on tavaliselt aeglasem juurdepääs, kuid suurema suurusega.
K: Millised on mõned näited klassikalistest andmekandjatest?
V: Klassikaliste andmekandjate hulka kuuluvad näiteks kõvakettad ja USB-mälupulgad.
K: Millist tüüpi andmekandjad pakuvad suuremat mahutavust, kuid juurdepääs neile on väga aeglane?
V: Sellised andmekandjad nagu lindikettad pakuvad suuremat mahutavust kui muud tüüpi andmekandjad, kuid neile juurdepääs on väga aeglane.
K: Millised on esmased andmesalvestuskomponendid?
V: Esmaste andmesalvestuskomponentide hulka kuuluvad kaasaegsetes protsessorites leiduvad registrid, milles saab andmeid salvestada, mitu vahemälu taset ja põhimälu, millele protsessor saab juurdepääsu.
K: Millist tüüpi mälu ei ole tavaliselt protsessoril otsene juurdepääs?
V: Sekundaarsele andmesalvestusele ei ole tavaliselt protsessoril otsest juurdepääsu ja selle sisu tuleb enne kasutamist üle kanda primaarsesse andmesalvestusse. Näidetena võib tuua kõvakettad ja mittepüsiva juhusliku juurdepääsu mälu.
