Secondary storage Introduction to Computer Science (88612159)

จุดประสงค์การเรียนรู้ เลขฐานสิบหกและการวัดขนาด หน่วยความจำ การทำงานของหน่วยความจำรอง Magnetic Memory Optical Memory Flash Memory

Hexadecimal notation เก็บ int 32 bits จำยาก วิธีจำได้ง่าย ๆ คือเลขฐานสิบหก เลขฐานสิบหก 1 หลัก เท่ากับ 4 bits จะได้ทั้งหมด 24 = 16 แบบ แทนเลขฐานสิบหก 0-9 และ A-F

การวัดขนาดของหน่วยความจำ 4 บิต (bit) = 1 นิบเบิล (nibble) 8 บิต = 2 นิบเบิล = 1 ไบต์ (byte) 210 = 1,024 ไบต์ = 1 กิโลไบต์ (kilobyte) 210 = 1,024 กิโลไบต์ = 1 เมกกะไบต์ (megabyte) 210 = 1,024 เมกกะไบต์ = 1 กิกะไบต์ (gigabyte) 210 = 1,024 กิกะไบต์ = 1 เทอราไบต์ (terabyte)

แบบฝึกหัด 1 bytes = 8 bits 4 x 1024 bytes = 8 x 4 x 1024 bits เครื่องคอมพิวเตอร์ขนาดจิ๋วเครื่อง หนึ่งมีหน่วยความจำเพียง 4 กิโลไบต์ เครื่องคอมพิวเตอร์นี้มีหน่วยความจำ กี่บิต 1 bytes = 8 bits 4 x 1024 bytes = 8 x 4 x 1024 bits = 32 x 1024 bits = 25 x 210 bits = 215 bits = 32768 bits

หน่วยความจำรอง (Mass Storage) เป็นหน่วยความจำความจุสูง สามารถจัดเก็บ ข้อมูลได้มาก เป็นหน่วยความจําแบบหน่วยเก็บลบเลือนไม่ได้ (nonvolatile storage) เก็บข้อมูลได้ถาวร แม้ไม่มีกระไฟฟ้าเลี้ยงวงจร แบ่งวิธีการจัดเก็บได้ 3 แบบ 1. แม่เหล็ก (Magnetic) 2. แสง (Optical) 3. แฟลช (Flash)

หน่วยความจำรอง (Mass Storage) CPU ไฟฟ้า RAM ไฟฟ้า Mass Storage แม่เหล็ก, แสง, แฟลช Write Read Save Load/Ope n อำนาจแม่เหล็ก ต้องแปลงระหว่าง สัญญาไฟฟ้า และอำนาจแม่เหล็ก แสง ต้องแปลงระหว่าง สัญญาไฟฟ้า และแสง เฟลช ไม่ต้องแปลง

หน่วยความจำรอง (Mass Storage) หน่วยความจำแม่เหล็ก (Magnetic Memory) เทปแมเหล็ก (Magnetic tape) จานแม่เหล็ก (Magnetic disk) หน่วยความจำแสง (Optical memory) แผ่นซีดี (Compact disc) แผ่นดีวีดี (Digital versatile disc) หน่วยความจำแฟลช (Flash memory) แฟลชไดรฟ์ (Flash drive) โซลิดสเตตไดรฟ์ (Solid state drive)

1. หน่วยความจำแม่เหล็ก (Magnetic Memory) ใช้สื่อทางแม่เหล็กในการเก็บข้อมูล การอ่านและเขียนข้อมูลสามารถทำได้ โดยสารไดโพล (dipole) แม่เหล็ก จ่ายกระแสไฟฟ้าเข้าไปทางตัวเขียนข้อมูล ที่สร้างมาจากขดลวดแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นมีทิศทางตรงกัน ข้าม ค่าลอจิก 0 และ ลอจิก 1 นี้ ดูจากทิศทาง ของกระแสไฟฟ้าที่เกิดขึ้น

จานแม่เหล็ก (Magnetic Disk) สร้างขึ้นจากวัสดุรูปจานเคลือบด้วยสารแม่เหล็ก แบ่งออกเป็น 2 แบบ จานแม่เหล็กชนิดอ่อน (Floppy Disk หรือ Diskette) จานแม่เหล็กชนิดแข็ง (Hard Disk Drive) จัดเก็บข้อมูลในรูปของอำนาจแม่เหล็ก แทนข้อมูลเป็นค่า 0 หรือ 1 ด้วยทิศทางของเส้นแรง แม่เหล็ก จานแม่เหล็กจะหมุนรอบแกนดวยความเร็วคงที่ เหมาะกับการเข้าถึงข้อมูลแบบ Random Access

จานแม่เหล็กชนิดอ่อน (Floppy Disk หรือ Diskette) ตัวจานหมุนจะเป็นวัสดุที่อ่อนนิ่ม เช่น ไมลาร์ (Mylar)  ที่เป็นพลาสติกสังเคราะห์ เคลือบสารแม่เหล็ก ในดิสก์ 1 แผ่นจะมีจานเดียว ความเร็วหมุนจานต่ำ ประมาณ 300 รอบต่อนาที ขนาด 8 นิ้ว, 5.25 นิ้ว, 3.5 นิ้ว ความจุ 1.44 MB

จานแม่เหล็กชนิดแข็ง (Hard Disk Drive) ตัวจานสร้างจากโลหะอะลูมิเนียม เคลือบสารแม่เหล็ก (โลหะในกลุ่ม Ferromagnetic) มีจานเดียวหรือหลายจานก็ได้ แต่ละจานเรียก Platter มีหัวอ่าน/เขียน อยู่บนผิวหน้า ด้านบนและด้านล่าง มีความจุสูง 10 เทราไบต์

พื้นที่จัดเก็บข้อมูลใน HDD แบ่งเป็นวงกลมซ้อนกัน เรียกว่า track แบ่ง track ออกเป็น sector ใช้ เป็นส่วนสำหรับ อ่าน/เขียน ข้อมูล แต่ละ track มีจำนวน sector เท่ากัน แต่ละ sector จัดเก็บข้อมูลได้ เท่ากัน คือ sector ละ 512 bytes อ่าน/เขียน ข้อมูลแต่ละครั้งอย่าง น้อย 1 sector

พื้นที่จัดเก็บข้อมูลใน HDD

พื้นที่จัดเก็บข้อมูลใน HDD หากมีหลาย platter ชุดของ track เรียกว่า Cylinder แบบมีหลายจาน จะวางอยู่บนแกน เดียวกัน หมุนไป พร้อมกัน ควบรวม sector ที่ตรงกัน เรียก logical block เรา จะอ่านเขียน พร้อมกันได้ 1 sector

การสืบค้นและการจัดเก็บข้อมูล HDD ต้องจัดให้เป็นหน่วยข้อมูลเดียวกัน เรียกว่า ไฟล์ (file) เช่น ไฟล์เอกสาร ไฟล์ ภาพ ไฟล์โปรแกรม เมื่อค้นหาการเข้าถึงโดยจะชี้ไป track และ sector ที่ต้องการ หากข้อมูลยังไม่หมด (track, sector) ก็ชี้ ไปยัง (track, sector) ตัวต่อไป ชื่อไฟล์ คุณสมบัติไฟล์ (track, sector)

การสืบค้นและการจัดเก็บข้อมูล HDD การอ่านหรือเขียนข้อมูล อย่าง น้อยต้อง 1 sector (512 bytes) มีการพักข้อมูลที่ RAM (Buffer) ก่อน CPU RAM (buffer) HDD (track, sector) Write Read Save Load/Open

การสืบค้นและการจัดเก็บข้อมูล HDD ต้องเข้าถึง track ก่อน โดยเลื่อน หัวอ่าน/เขียน ทีละ track จนถึง track ที่ต้องการ ต่อไปเข้าถึง sector ที่ต้องการ โดยรอ แผ่นจานหมุนมาตรงกับหัวอ่าน/เขียน

ประสิทธิภาพการทำงานของ HDD ระยะเวลาที่หัวอ่าน/เขียน เคลื่อนที่ข้าม Track เรียกว่า Seek Time ระยะเวลาที่ใช้ในการรอให้ Sector ที่ต้องการ ตรงกับหัวอ่าน/เขียน เรียกว่า Rotational delay ความเร็วรอบหมุน เป็น รอบ/นาที (RPM: Round Per Minute) เช่น HDD 7200 RPM อัตราการส่งผ่านข้อมูลระหว่าง HDD และ ระบบคอมพิวเตอร์ เรียกว่า Transfer Rate

ปัญหาของ HDD เส้นรอบวงด้านใน และ ด้านนอก ไม่เท่ากัน ทำให้ความยาว Sector ไม่เท่ากัน แต่ทุกๆ Sector เก็บข้อมูลได้ 512 byte เท่ากัน ความหนาแน่นของข้อมูลไม่เท่ากัน วงใน มีความหนาแน่นข้อมูลสูง วงนอก มีความหนาแน่นข้อมูลต่ำ เริ่มจัดเก็บข้อมูลที่วงนอกสุดก่อน เมื่อ HDD ใกล้เต็ม ควรเปลี่ยน ไม่เช่นนั้น อาจทำให้ข้อมูลเสียหายได้

การลด seek time ไม่สามารถเพิ่ม ประสิทธิภาพของ HDD ได้ แต่สามารถลด seek time ได้ โดยจัดข้อมูลให้อยู่ใน track ที่ใลก้กัน โดยการ ทำ Defragment

เทปแม่เหล็ก (Magnetic Tape) สายเทปทำด้วยพลาสติกชนิดพิเศษ เคลือบด้วยออกไชต์ของของเหล็ก (Iron Oxide) เปลี่ยนข้อมูลเป็นอำนาจแม่เหล็กแล้ว บันทึกลงบนแถบเทป เทปแม่เหล็กแบ่งออกเป็นส่วนๆ เรียกว่า segment แต่ะละ segment แบ่งออกเป็นหลาย track ขนานกันตามแนวยาวของเทป อ่านข้อมูลตามลำดับก่อนหลังตามที่ได้ บันทึกไว้ เรียกการเข้าถึงข้อมูลตามลำดับ (Sequential Access) ความจุสูง ราคาถูก ใช้งานซ้ำได้  ใช้ สำรองข้อมูล

เทปแม่เหล็ก (Magnetic Tape) เหตุผลของการสำรองข้อมูล ป้องกันการเสียหายของข้อมูลเมื่อ เกิดภัยพิบัติ นำข้อมูลย้อนหลังมาใช้ประโยชน์ การวิเคราะห์เชิงสถิติ ประเภทของเทปแม่เหล็ก เทปม้วนเปิด (Reel to Reel) เทป Cartridge DAT (Digital Audio Tape)

2. หน่วยความจำแสง (Optical Memory) เช่น CD, DVD, Blu-ray แผ่นพลาสติกเคลือบ ด้วยอะลูมิเนียมบาง สะท้อนแสง มี 1 track วนเป็นก้น หอย จากด้านในออก ด้านนอก แบ่งออกเป็น sector ทุกๆ sector ยาว เท่ากัน สำหรับ CD 1 sector เก็บข้อมูลได้ 2 KB

การอ่าน/เขียนบนจานแสง เขียนใช้เลเซอร์เผาผิวหน้าให้เป็นหลุม อ่านโดยตรวจจับการสะท้อนแสง เป็นหลุม คือ 1 ไม่เป็น หลุม คือ 0 การอ่าน/เขียน เริ่มจากด้านในสุด ออกมาด้านนอกสุด ความเร็วในการหมุนจานไม่คงที่ ซีดีหมุนด้วยความเร็วสูงเมื่ออยู่ใกล้จุด ศูนย์กลาง และหมุนด้วยความเร็วต่ำลงเมื่อ เข้าใกล้ริมแผ่น

จานแสง (Optical Disk) มีประสิทธิภาพกับข้อมูลที่มีความยาวมากๆ และต่อเนื่องกัน เหมาะสมกับการจัดเก็บข้อมูลสื่อผสม (Multimedia) เช่น เสียงเพลง, ภาพยนต์ อัตราการส่งผ่านข้อมูลของ CD เป็นระบบ X-Rating โดยเทียบกับ drive รุ่นแรก ที่มีอัตารา การส่งผ่านข้อมูล 150 KB/sec ดังนั้น CD 24X จึงมีอัตราการส่งผ่านข้อมูล 150 x 24 KB/sec

CD/DVD/Blu-ray CD ใช้เลเซอร์ “สีแดง” ความยาว คลื่น 780 nm เก็บข้อมูลได้ 600- 700 MB DVD ใช้เลเซอร์ “สีแดง” ความยาว คลื่น 650 nm เก็บข้อมูลได้ 4.7 GB Blu-ray ใช้เลเซอร์ “สีฟ้า” ความ ยาวคลื่น 405 nm เก็บข้อมูลได้ 25 GB

CD/DVD/Blu-ray คลื่นความถี่ต่ำเผาหลุมห่าง คลื่นความถี่สูงเผาหลุมได้ใกล้

3. หน่วยความจำแฟลช (Flash Memory) นำข้อดีของรอมและแรมมารวมกัน พัฒนามาจากหน่วยความจำ EEPROM โดยมีลักษณะการทำงานเป็น อิเล็กทรอนิกส์ทั้งหมด ใช้กระบวนการทางไฟฟ้าในการบันทึก ข้อมูลและมีตัวควบคุมการอ่านและเขียน ในตัวเอง สามารถเขียนและลบข้อมูลได้ตาม ต้องการ และเก็บข้อมูลได้แม้ไม่มี กระแสไฟฟ้าเลี้ยง จัดเก็บไว้ในหน่วยความจำที่เรียกว่าบล๊อค (block) แฟลชไดรฟ์ โซลิดสเตตไดรฟ์ เมโมรีการ์ด

ยูเอสบีแฟลชไดรฟ์ (USB flash drive) ยูเอสบี 3.0 ถูกพัฒนาให้มีสามารถโอนถ่าย ข้อมูลได้ด้วยความเร็ว 5 กิกะบิตต่อวินาที (Gbps) ยูเอสบี 2.0 เดิมที่มีความเร็วในการถ่าย โอนข้อมูลด้วยความเร็วเพียง 480 เมกะ บิตต่อวินาที (Mbps) ในปัจจุบันแฟลชไดรฟ์มีความจุถึง 2 เทรา ไบต์ (TB)

โซลิดสเตตไดรฟ์ (Solid state drive: SSD) วงจรรวมที่ประกอบรวมเป็น หน่วยความจำ ถูกสร้างด้วยวงจรอิเล็กทรอนิกส์ ทดแทนจานแม่เหล็กชนิดแข็ง ใช้เวลาในการเข้าถึงข้อมูล (access time) ได้เร็วกว่า HDD

การเปรียบเทียบระหว่าง SSD กับ HDD

การเปรียบเทียบระหว่าง SSD กับ HDD คุณสมบัติ SSD HDD เวลาที่รอจนกว่าจะพร้อมใช้งาน (Start-up time) เกือบจะทันทีทันใด ใช้เวลาเพียงไม่กี่มิลลิวินาทีก็พร้อมใช้งาน ต้องใช้เวลาหลายวินาทีในการรอให้ HDD หมุน การเข้าถึงข้อมูลโดยสุ่ม  (Random access time) ประมาณ 0.1 มิลลิวินาที สามารถเข้าถึงข้อมูลได้โดยตรง อยู่ในช่วง 2.9 ถึง 12 มิลลิวินาที ขึ้นอยู่กับตำแหน่งหัวอ่าน ตำแหน่งข้อมูลที่ต้องการเข้าถึง และความเร็วในการหมุน ความหน่วงเวลาในการอ่าน (Read latency time) ต่ำ เพราะสามารถเข้าถึงข้อมูลได้โดยตรง สูง เพราะการเข้าถึงข้อมูลต้องอาศัยการหมุนของจานแม่เหล็ก และการเลื่อนตำแหน่งของหัวอ่าน

การเปรียบเทียบระหว่าง SSD กับ HDD คุณสมบัติ SSD HDD อัตราการส่งข้อมูล (Data transfer rate) ค่อนข้างคงที่ โดยทั่วไปจะมีอัตราการส่งข้อมูลอยู่ที่ 100 ถึง 600 เมกะไบต์ต่อวินาที อัตราการส่งข้อมูลถึง 140 เมกะไบต์ต่อวินาที แต่ในการใช้งานจริงๆ แล้วไม่คงที่ การกระจายของข้อมูล(Fragmentation) การกระจายของข้อมูลไม่ค่อยมีผลทำให้การอ่านข้อมูลช้าล แต่การลดการกระจายของข้อมูลส่งผลต่ออายุการใช้งานของ SSD อ่านไฟล์เดียวต้องอ่านจากหลายๆ ที่ซึ่งทำให้การอ่านข้อมูลช้าลงอย่างมาก ควรลดการกระจายข้อมูล เสียงรบกวน (Acoustic noise) มีเสียงรบกวนได้เล็กน้อยจากวงจรไฟฟ้าภายใน เกิดเสียงอยู่ในระดับที่ได้ยินได้ แต่เบากว่าเสียงพัดลมระบายอากาศมาก

การเปรียบเทียบระหว่าง SSD กับ HDD คุณสมบัติ SSD HDD การควบคุมอุณหภูมิ (Temperature control) อุณหภูมิสูงไม่มีปัญหา อุณหภูมิห้องสูงจะทำให้อายุการใช้งาน HDD สั้นลงได้ ความทนทานต่อสภาพแวดล้อม (Susceptibility to environmental factors) ทนต่อแรงกระแทกและการสั่นสะเทือน เพราะไม่มีชิ้นส่วนที่ต้องเคลื่อนที่ เนื่องจากมีหัวอ่านที่เคลื่อนที่และจานแม่เหล็กหมุน จึงอ่อนไหวต่อแรงกระแทกและการสั่นสะเทือนอย่างยิ่ง การติดตั้ง (Installation and mounting) มีการปกปิดแผงวงจรไว้อย่างมิดชิดจึงไม่มีข้อควรระวังเป็นพิเศษในการติดตั้ง ต้องระวังไม่ให้สัมผัสถูกแผงวงจร และจะต้องติดตั้งไว้ในที่ที่ไม่มีแรงกระแทกและการสั่นสะเทือน

การเปรียบเทียบระหว่าง SSD กับ HDD คุณสมบัติ SSD HDD ความทนทานต่อสนามแม่เหล็ก (Susceptibility to magnetic fields]]) ไม่มีผลต่อสนามแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กรุนแรงสามารถสร้างความเสียหายแต่ข้อมูลได้ แต่ได้รับการป้องกันอย่างดีด้วยกล่องโลหะ น้ำหนักและขนาด (Weight and size) มีน้ำหนักเบา จะมีน้ำหนักมากถึงประมาณ 700 กรัม ความน่าเชื่อถือ และอายุการใช้งาน (Reliability and lifetime) ไม่ต้องกังวลเรื่องความผิดพลาดทางกลไก ดังนั้นอายุการใช้งานจึงถูกกำหนดโดยจำนวนครั้งในการเขียนทับ (ลบแล้วเขียนใหม่) ไม่มีการจำกัดจำนวนครั้งในการเขียนทับ แต่สาเหตุการเสียของHDD คือความผิดพลาดทางกลไก

การเปรียบเทียบระหว่าง SSD กับ HDD คุณสมบัติ SSD HDD ราคาต่อความจุ (Cost per capacity) ประมาณ 27 บาทต่อกิกะไบต์ ขึ้นอยู่กับรุ่นและยี่ห้อ ประมาณ 2.5 บาทต่อกิกะไบต์สำหรับ HDD 3.5" และประมาณ 4 บาทต่อกิกะไบต์สำหรับ HDD 2.5" ขนาดความจุ (Storage capacity) ในปี ค.ศ. 2016 SSD มีขนาดความจุถึง 4 เทราไบต์ ในปี ค.ศ. 2016 HDD มีความจุถึง 10 เทราไบต์ ความเท่าเทียมกันของความเร็วการอ่านและการเขียน (Read/write performance symmetry) ความเร็วในการเขียนต่ำกว่ามาก แต่เมื่อในรุ่นราคาแพงกว่าก็จะมีความใกล้เคียงกันมากขึ้น ความเร็วในการเขียนต่ำกว่าความเร็วในการอ่านเล็กน้อย

การเปรียบเทียบระหว่าง SSD กับ HDD คุณสมบัติ SSD HDD การใช้พลังงาน (Power consumption) สำหรับ SSD ที่ใช้เซลล์ความจำแบบ NAND จะใช้พลังงานประมาณครึ่งถึงสามในสี่ของ HDD HDD 3.5" อาจจะกินไฟได้ถึง 20 วัตต์

Solid State Hybrid Drive: SSHD

HDD VS. SSHD VS. SSD

ลำดับการเข้าถึงข้อมูลแบบ Random access 1. RAM 2. แฟลช (Flash) 3. จานแม่เหล็ก (Magnetic Disk) 4. จานแสง (Optical Disk) 5. เทปแม่เหล็ก (Magnetic Tape)

สรุป แพง เร็ว ราคา ความเร็วในการทำงาน ช้า ถูก