مخزن مؤقت للقرص

عندما يقوم متحكم القرص بتنفيذ عملية قراءة فعلية، يقوم المحرك بتحريك رأس القراءة/الكتابة إلى الأسطوانة الصحيحة (أو بالقرب منها). بعد فترة من الاستقرار، وربما بعض التعديلات الدقيقة، يبدأ رأس القراءة في التقاط بيانات المسار، وكل ما تبقى هو الانتظار حتى دوران القرص الدوار ليجلب البيانات المطلوبة.

البيانات التي تتم قراءتها قبل الطلب أثناء هذا الانتظار تكون غير مطلوبة ولكنها متاحة، لذلك يتم حفظها عادةً في مخزن القرص المؤقت في حالة طلبها لاحقًا.

وبالمثل، يمكن قراءة البيانات مجانًا بعد البيانات المطلوبة إذا كان بإمكان رأس القراءة/الكتابة البقاء على المسار الصحيح لأنه لا توجد عملية قراءة أخرى للتنفيذ أو يمكن أن تبدأ عملية التشغيل التالية لاحقًا وتكتمل في الوقت المحدد. ^{[ 4 ]}

إذا كانت عدة قراءات مطلوبة على نفس المسار (أو قريبة على مسار حلزوني)، فسيتم قراءة معظم البيانات غير المطلوبة بينها في كل من المقدمة والمؤخرة.

نادراً ما تتطابق سرعة واجهة الإدخال/الإخراج للقرص مع سرعة نقل البيانات من وإلى قرص التخزين الصلب . لذا، يُستخدم مخزن مؤقت للقرص لضمان عمل كل من واجهة الإدخال/الإخراج ورأس القراءة/الكتابة بأقصى سرعة.

قد تُرسل وحدة التحكم الدقيقة المدمجة في القرص إشارةً إلى الحاسوب الرئيسي تُفيد باكتمال عملية الكتابة فور استلامها، حتى قبل كتابة البيانات فعليًا على القرص. تُمكّن هذه الإشارة المبكرة الحاسوب الرئيسي من مواصلة العمل حتى قبل كتابة البيانات. قد يكون هذا الأمر خطيرًا بعض الشيء، لأنه في حال انقطاع التيار الكهربائي قبل تثبيت البيانات نهائيًا على الوسائط المغناطيسية، ستُفقد البيانات من ذاكرة التخزين المؤقت للقرص، وقد يُصبح نظام الملفات على القرص في حالة غير متناسقة.

في بعض الأقراص، قد تطول هذه الفترة الحرجة بين الإشارة إلى اكتمال الكتابة وإصلاح البيانات بشكل كبير، إذ يمكن تأجيل الكتابة إلى أجل غير مسمى بسبب الطلبات الواردة حديثًا. لهذا السبب، يُعدّ استخدام تسريع الكتابة أمرًا مثيرًا للجدل. مع ذلك، يمكن الحفاظ على اتساق البيانات باستخدام نظام ذاكرة مدعوم ببطارية لتخزين البيانات مؤقتًا، على الرغم من أن هذا النظام عادةً ما يوجد فقط في وحدات تحكم RAID المتطورة .

بدلاً من ذلك، يمكن ببساطة إيقاف التخزين المؤقت عندما تُعتبر سلامة البيانات أهم من سرعة الكتابة. وثمة خيار آخر يتمثل في إرسال البيانات إلى القرص بترتيب مُدار بعناية، وإصدار أوامر "مسح ذاكرة التخزين المؤقت" في المواضع المناسبة، وهو ما يُشار إليه عادةً بتطبيق حواجز الكتابة .

تستطيع أقراص SATA الحديثة ومعظم أقراص SCSI استقبال أوامر متعددة أثناء تنفيذ أمر واحد عبر "تجميع الأوامر" (انظر NCQ و TCQ ). يخزن متحكم القرص المدمج هذه الأوامر حتى اكتمالها. ومن مزايا هذه التقنية إمكانية إعادة ترتيب الأوامر لمعالجتها بكفاءة أكبر، بحيث تُجمّع الأوامر التي تؤثر على نفس مساحة القرص معًا. وفي حال أشارت عملية قراءة إلى البيانات الموجودة في وجهة عملية كتابة مُدرجة في قائمة الانتظار، فسيتم إرجاع البيانات المراد كتابتها.

يُستخدم NCQ عادةً مع تمكين التخزين المؤقت للكتابة. في حالة أمر قراءة/كتابة FPDMA مع ضبط بت الوصول القسري للوحدة (FUA، انظر أدناه ) على 0 وتمكين التخزين المؤقت للكتابة، قد يرى نظام التشغيل أن عملية الكتابة قد انتهت قبل كتابة البيانات فعليًا على الوسائط. أما في حالة ضبط بت FUA على 1 وتمكين التخزين المؤقت للكتابة، فإن عملية الكتابة لا تُستكمل إلا بعد كتابة البيانات فعليًا على الوسائط.

ستُكتب البيانات التي تم قبولها في ذاكرة التخزين المؤقت للكتابة على القرص الصلب إلى أسطوانات القرص، شريطة عدم حدوث أي نقص في البيانات نتيجةً لعيوب في البرامج الثابتة ، وعدم انقطاع التيار الكهربائي عن القرص قبل كتابة جميع البيانات المخزنة مؤقتًا إلى أسطوانات القرص. وللتحكم في ذاكرة التخزين المؤقت للكتابة، تضمنت مواصفات ATA الأمرَين FLUSH CACHE (E7h) و FLUSH CACHE EXT (EAh). يُجبر هذان الأمران القرص على إكمال كتابة البيانات من ذاكرته المؤقتة، وسيعود القرص إلى حالة "جيد" بعد كتابة البيانات الموجودة في ذاكرة التخزين المؤقت للكتابة إلى وسائط التخزين. بالإضافة إلى ذلك، عندما يتلقى القرص أمر STANDBY IMMEDIATE، فإنه على وسائط التخزين القرصية يُوقف رأس القراءة/الكتابة مؤقتًا، وعلى وسائط التخزين الفلاشية يحفظ جدول تعيين FTL . ^{[ 5 ]}

يقوم نظام التشغيل الحديث ( مثل ويندوز ولينكس ) بإرسال أوامر FLUSH CACHE و STANDBY IMMEDIATE إلى محركات الأقراص الصلبة أثناء عملية إيقاف التشغيل. كما يقوم نظام التشغيل الحديث بتنفيذ وظيفة sync() بشكل دوري، والتي عادةً ما تُنفذ أمر FLUSH CACHE. ^{[ 6 ]}

يُستخدم مسح ذاكرة التخزين المؤقت الإلزامي في لينكس لحواجز الكتابة في بعض أنظمة الملفات (على سبيل المثال، ext4 )، إلى جانب أمر الكتابة Force Unit Access لكتل ​​الالتزام في السجل . ^{[ 7 ]}

يُعدّ خيار " فرض الوصول إلى الوحدة " (FUA) أحد خيارات أوامر الكتابة في عمليات الإدخال/الإخراج، حيث يُجبر البيانات المكتوبة على الوصول مباشرةً إلى وحدة التخزين الدائمة. ^{[ 8 ]} على عكس الأوامر المقابلة التي لا تستخدم FUA، تقوم أوامر الكتابة FUA (WRITE DMA FUA EXT – 3Dh، WRITE DMA QUEUED FUA EXT – 3Eh، WRITE MULTIPLE FUA EXT – CEh) بكتابة البيانات مباشرةً إلى وسائط التخزين، بغض النظر عن تفعيل خاصية التخزين المؤقت للكتابة في الجهاز. لن يُنهي أمر الكتابة FUA عمله حتى يتم كتابة البيانات إلى وسائط التخزين، وبالتالي تبقى البيانات المكتوبة بواسطة أمر الكتابة FUA المكتمل موجودة على وسائط التخزين الدائمة حتى في حال إيقاف تشغيل الجهاز قبل إصدار أمر FLUSH CACHE. ^{[ 9 ] [ 10 ]}   

ظهرت أوامر FUA في مجموعة أوامر SCSI ، ثم اعتمدتها SATA لاحقًا مع NCQ . تتميز FUA بدقة أكبر، إذ تسمح بتنفيذ عملية كتابة واحدة على وسائط تخزين ثابتة، وبالتالي يكون تأثيرها على الأداء العام أقل مقارنةً بالأوامر التي تُفرغ ذاكرة التخزين المؤقت للقرص بالكامل، مثل مجموعة أوامر ATA FLUSH CACHE. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

يدعم نظام التشغيل Windows (Vista والإصدارات الأحدث) بروتوكول FUA كجزء من نظام الملفات NTFS للمعاملات ، ولكن فقط لأقراص SCSI أو Fibre Channel حيث يكون دعم FUA شائعًا. ^{[ 12 ]} من غير المعروف ما إذا كان محرك أقراص SATA الذي يدعم أوامر كتابة FUA سينفذ الأمر فعليًا ويكتب البيانات على أسطوانات القرص كما هو مطلوب؛ لذلك، يرسل نظاما التشغيل Windows 8 و Windows Server 2012 أوامر لمسح ذاكرة التخزين المؤقت للكتابة على القرص بعد عمليات كتابة معينة. ^{[ 13 ]}

على الرغم من أن نواة لينكس دعمت تقنية NCQ حوالي عام 2007، إلا أن خاصية SATA FUA لا تزال معطلة افتراضيًا بسبب مشاكل ظهرت عام 2012 عند اختبار دعم النواة لهذه الخاصية. ^{[ 14 ] [ 15 ]} تدعم نواة لينكس خاصية FUA على مستوى طبقة الكتل. ^{[ 16 ]}