Računalniško shranjevanje podatkov: hierarhija pomnilnika, vrste in mediji

Računalniško shranjevanje podatkov zajema več sestavnih delov računalnika, katerih glavni namen je trajno ali začasno shranjevanje podatkov. Osrednja procesna enota (CPU) lahko podatke bere in jih spreminja, vendar je organizacija pomnilnika večstopenjska: obstaja hierarhija računalniškega pomnilnika: pomnilnik, ki je bližje procesorju, je običajno hitreje dostopen, a manjši; tak pomnilnik pogosto zahteva električno energijo za ohranjanje vsebine (je volatilne narave). Pomnilniški sistemi so zato kompromis med hitrostjo, kapaciteto in stroški.

Hierarhija pomnilnika

Tipična hierarhija pomnilnika vključuje več nivojev:

• Registre: najhitrejši pomnilnik znotraj CPU. Sodobni procesorji imajo registre, v katere lahko neposredno shranjujejo operande in rezultate; registri so zelo majhni, a izjemno hitri.
• Predpomnilnik (cache): običajno razdeljen na ravni L1, L2 in L3; zmanjša zakasnitev dostopa do pogosto uporabljenih podatkov.
• Glavni (primarni) pomnilnik: RAM (npr. DRAM) – večji od predpomnilka, še vedno relativno hiter, vendar volatilni.
• Sekundarni pomnilnik: naprave za trajno shranjevanje, kot so trdi diski, SSD-ji in pomnilniki USB; večji kapaciteti, a počasnejši kot RAM.
• Terciarni (in arhivski) pomnilnik: namenjen arhiviranju in varnostnemu kopiranju; pogosto vsebuje medije z zelo veliko kapaciteto, vendar z visokimi časovnimi zamiki (npr. tračni pogoni, magnetni trak, CD-ROM).

Podatke iz sekundarnega ali terciarnega pomnilnika običajno prenesemo v primarni pomnilnik, preden jih obdeluje CPU. Sekundarni pomnilnik pogosto ni neposredno naslovljiv s strani procesorja, zato je prenos ključen korak.

Vrste pomnilnika in medijev

• Volatilni pomnilnik – vsebina izgine ob prekinitvi napajanja (npr. DRAM, SRAM).
• Nevolatilni pomnilnik – ohranja podatke brez napajanja (npr. NAND flash, EEPROM, magnetni mediji). Sem spada tudi nehlapni pomnilnik z naključnim dostopom.
• Blokovni mediji – HDD, SSD; operacijski sistem nanje piše in bere blok podatkov.
• Datotečni in objektni sistemi – višji nivoji organizacije (datotečni sistemi, objektno shranjevanje v oblakih).

Lastnosti in merila izbire

Pri primerjavi pomnilniških medijev upoštevamo več ključnih parametrov:

• Zakasnitev (latency) – čas, potreben, da naprava začne vračati podatke.
• Prekucje (throughput) in IOPS – hitrost prenosa podatkov in število vhodno-izhodnih operacij na sekundo.
• Kapaciteta – koliko podatkov lahko shrani medij.
• Vzdržljivost in življenjska doba – npr. omejeno število ciklov zapisovanja pri flash pomnilniku (wear leveling pomaga podaljšati življenjsko dobo).
• Zanesljivost in ECC – uporaba kod za odkrivanje in popravljanje napak, redundančni sistemi (npr. RAID) za višjo odpornost na okvaro.
• Poraba energije – pomembno za prenosne naprave in podatkovne centre.

Dostopne metode in upravljanje

Dostop do podatkov se lahko izvaja naključno (random access) ali sekvenčno. Nekateri mediji, posebej magnetni trakovi, so optimalni za sekvenčni dostop zaradi njihove fizične narave, zato so počasnejši za naključno branje. Poleg tega sistemi uporabljajo:

• Virtualni pomnilnik in swap/paging – omogoča, da operacijski sistem začasno preseli strani iz RAM-a na sekundarni pomnilnik, če zmanjka prostora v RAM-u.
• Predpomnjenje in koherenca – mehanizmi, ki zagotavljajo, da so kopije podatkov med različnimi nivoji pomnilnika usklajene.
• Različni vmesniki – SATA, NVMe (hitrejši za SSD), USB, SCSI, kar vpliva na zmogljivost.

Terciarni pomnilnik in distribucija programske opreme

Terciarni pomnilnik se pogosto uporablja za dolgotrajno arhiviranje in varnostno kopiranje; pred uporabo se podatki običajno kopirajo nazaj v sekundarni pomnilnik. Programska oprema se včasih še vedno distribuira ali arhivira na terciarnih nosilcih, kot sta magnetni trak in CD-ROM, zlasti v okolju, kjer so potrebni nizki stroški na gigabajt in dolga zanesljivost hrambe.

Varnost, arhiviranje in prakse

• Redno izvajajte varnostne kopije (lokalno in izven kraja — offsite ali v oblaku).
• Uporabljajte redundanco (npr. RAID, replikacijo v oblaku) za zaščito pred izgubo podatkov.
• Šifrirajte občutljive podatke tako v mirovanju kot med prenosom.
• Testirajte obnovitve iz varnostnih kopij — arhiv ni uporaben, če ga ni mogoče obnoviti.

Priporočila za praktično uporabo

• Za operacijski sistem in aplikacije izberite hitre SSD-je (NVMe), da zmanjšate zakasnitve in izboljšate odzivnost.
• Za velike količine podatkov z manjšo potrebo po hitrosti so ekonomični trdi diski ali trakovi smiselna izbira.
• Za prenosnost in enostavno deljenje uporabite pomnilnike USB, vendar imejte v mislih varnost in omejitve vzdržljivosti.
• Za arhiviranje velike količine informacij uporabite terciarne medije ali oblačne storitve z ustreznim SLA in stroški shranjevanja.

Razumevanje hierarhije pomnilnika, razlik med mediji in meril za izbiro omogoča učinkovito načrtovanje sistemov za shranjevanje, optimizacijo stroškov in zagotavljanje zanesljivosti ter hitrosti dostopa do podatkov.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je računalniško shranjevanje podatkov?

V: Kakšen je namen teh sestavnih delov?

V: Kako deluje hierarhija pomnilnika?

V: Kateri so primeri klasičnih pomnilniških medijev?

V: Katera vrsta medijev ponuja večjo zmogljivost, vendar je dostop do njih zelo počasen?

V: Katere so osnovne komponente za shranjevanje podatkov?

V: Do katere vrste pomnilnika procesor običajno nima neposrednega dostopa?

Išči po črki