RAM-диск: эмуляция накопителя в оперативной памяти

Введение

RAM используется для эмуляции вторичной памяти.
Виртуальные диски эмулируются программным обеспечением.

RAM-диск (также называемый диском RAM) – это блок памяти с произвольным доступом (первичной памяти или энергозависимой памяти), который программное обеспечение компьютера воспринимает как дисковый накопитель (вторичную память). RAM-диски обеспечивают высокопроизводительное временное хранилище для ресурсоемких задач и защищают энергонезависимые устройства хранения от износа, поскольку RAM не подвержена износу при записи, в отличие от энергонезависимой флэш-памяти. В некотором смысле они являются обратными виртуальной памяти: RAM-диск использует энергозависимую быструю память, как если бы это была энергонезависимая медленная память. Виртуальная память работает наоборот. Иногда его называют виртуальным RAM-диском или программным RAM-диском, чтобы отличить его от аппаратного RAM-диска, который использует отдельное оборудование, содержащее RAM, являющееся типом твердотельного накопителя с резервным питанием от батареи. Исторически устройства массового хранения на основе первичной памяти создавались для уменьшения разрыва в производительности между внутренней памятью и устройствами вторичной памяти. С появлением твердотельных накопителей это преимущество в значительной степени утратило свою актуальность. Однако твердотельные накопители подвержены износу при частых операциях записи. Запись в первичную память происходит либо не так интенсивно, либо оказывает гораздо меньшее влияние. Поэтому RAM-диски предлагают преимущество для хранения часто изменяющихся данных, таких как временная или кэшированная информация.

Выступление

Производительность RAM-диска обычно на несколько порядков выше, чем у других форм цифрового хранения, таких как SSD, магнитные ленты, оптические диски, жесткие диски и дискеты. Этот прирост производительности обусловлен множеством факторов, включая время доступа, максимальную пропускную способность и характеристики файловой системы. Время доступа к файлам значительно сокращается, поскольку RAM-диск является твердотельным накопителем (не имеет движущихся частей). Физический жесткий диск, оптические носители (например, CD-ROM, DVD и Blu-ray) или другие среды хранения (например, магнитные пузырьки, акустическое хранилище, магнитная лента) должны переместить информацию в определенную позицию перед началом чтения или записи. RAM-диски могут получать доступ к данным, используя только адрес, что устраняет эту задержку. Во-вторых, максимальная пропускная способность RAM-диска ограничена скоростью оперативной памяти, шины данных и процессора компьютера. Другие формы носителей информации дополнительно ограничены скоростью шины хранения, такой как IDE (PATA), SATA, USB или FireWire. Усугубляет это ограничение скорость работы фактических механических компонентов – двигателей, головок или оптических сенсоров. В-третьих, используемая файловая система, такая как NTFS, HFS, UFS, ext2 и т.д., выполняет дополнительные обращения, чтения и записи на диск, которые, хотя и незначительны по объему, могут быстро накапливаться, особенно при большом количестве мелких файлов по сравнению с небольшим числом крупных файлов (временные интернет-папки, веб-кэши и т.п.). Поскольку хранилище находится в оперативной памяти, это энергозависимая память, что означает, что данные будут потеряны при отключении питания, будь то намеренное (перезагрузка или выключение компьютера) или случайное (отключение электроэнергии или сбой системы). В общем случае, это является недостатком (данные необходимо периодически резервировать на постоянный носитель, чтобы избежать потери), но иногда это может быть полезно: например, при работе с расшифрованной копией зашифрованного файла или использовании RAM-диска для хранения временных файлов системы. Во многих случаях данные, хранящиеся на RAM-диске, создаются из данных, постоянно хранящихся в другом месте, для более быстрого доступа, и воссоздаются на RAM-диске при перезагрузке системы. Помимо риска потери данных, основным ограничением RAM-дисков является емкость, которая определяется объемом установленной оперативной памяти. Многотерабайтные SSD-накопители стали обычным явлением, но объем оперативной памяти по-прежнему измеряется в гигабайтах. RAM-диски используют обычную системную память, как если бы это был раздел на физическом жестком диске, а не обращаются к шине данных, обычно используемой для вторичного хранения. Хотя операционные системы часто могут поддерживать RAM-диски напрямую через специальные механизмы в ядре ОС, обычно проще получить доступ к RAM-диску через виртуальный драйвер устройства. Это делает недисковую природу RAM-дисков невидимой как для ОС, так и для приложений. Обычно не требуется резервное питание от батареи из-за временного характера информации, хранящейся на RAM-диске, но источник бесперебойного питания (UPS) может поддерживать работу системы во время кратковременного отключения электроэнергии. Некоторые RAM-диски используют сжатую файловую систему, такую как cramfs, чтобы обеспечить доступ к сжатым данным «на лету», без предварительной распаковки. Это удобно, поскольку RAM-диски часто имеют небольшой объем из-за более высокой стоимости за байт по сравнению с традиционными жесткими дисками.

The performance of a RAM drive is generally orders of magnitude faster than other forms of digital storage, such as SSD, tape, optical, hard disk, and floppy drives. This performance gain is due to multiple factors, including access time, maximum throughput, and file system characteristics. File access time is greatly reduced since a RAM drive is solid state (no moving parts). A physical hard drive, optical (e. g, CD ROM, DVD, and Blu ray) or other media (e. g. magnetic bubble, acoustic storage, magnetic tape) must move the information to a particular position before reading or writing can occur. RAM drives can access data with only the address, eliminating this latency. Second, the maximum throughput of a RAM drive is limited by the speed of the RAM, the data bus, and the CPU of the computer. Other forms of storage media are further limited by the speed of the storage bus, such as IDE (PATA), SATA, USB or FireWire. Compounding this limitation is the speed of the actual mechanics of the drive motors, heads, or eyes. Third, the file system in use, such as NTFS, HFS, UFS, ext2, etc., uses extra accesses, reads and writes to the drive, which although small, can add up quickly, especially in the event of many small files vs. few larger files (temporary internet folders, web caches, etc.). Because the storage is in RAM, it is volatile memory, which means it will be lost in the event of power loss, whether intentional (computer reboot or shutdown) or accidental (power failure or system crash). This is, in general, a weakness (the data must periodically be backed up to a persistent storage medium to avoid loss), but is sometimes desirable: for example, when working with a decrypted copy of an encrypted file, or using the RAM drive to store the system's temporary files. In many cases, the data stored on the RAM drive is created from data permanently stored elsewhere, for faster access, and is re created on the RAM drive when the system reboots. Apart from the risk of data loss, the major limitation of RAM drives is capacity, which is constrained by the amount of installed RAM. Multi terabyte SSD storage has become common, but RAM is still measured in gigabytes. RAM drives use normal system memory as if it were a partition on a physical hard drive rather than accessing the data bus normally used for secondary storage. Though RAM drives can often be supported directly in the operating system via special mechanisms in the OS kernel, it is generally simpler to access a RAM drive through a virtual device driver. This makes the non disk nature of RAM drives invisible to both the OS and applications. Usually no battery backup is needed due to the temporary nature of the information stored in the RAM drive, but an uninterruptible power supply can keep the system running during a short power outage. Some RAM drives use a compressed file system such as cramfs to allow compressed data to be accessed on the fly, without decompressing it first. This is convenient because RAM drives are often small due to the higher price per byte than conventional hard drive storage.

История и особенности операционной системы

Первый программный RAM-диск для микрокомпьютеров был изобретен и написан Джерри Карлином в Великобритании в 1979–1980 годах. Программное обеспечение, известное как Silicon Disk System, было далее разработано в коммерческий продукт и продавалось компанией JK Systems Research, которая стала Microcosm Research Ltd, когда к ней присоединился Питер Чизурайт из Microcosm Ltd. Идея заключалась в том, чтобы позволить ранним микрокомпьютерам использовать больше оперативной памяти, чем процессор мог напрямую адресовать. Использование банков переключаемой оперативной памяти, эмулирующей дисковый накопитель, было значительно быстрее, чем работа с обычными дисководами, особенно до широкой доступности жестких дисков на таких машинах. Silicon Disk был выпущен в 1980 году, сначала для операционной системы CP/M, а затем для MS DOS. 128 КБ Atari 130XE (с DOS 2.5) и Commodore 128 поддерживают RAM-диски, как и ProDOS для Apple II. На системах с 128 КБ или более оперативной памяти ProDOS автоматически создает RAM-диск с названием IBM добавила RAM-диск с именем VDISK.SYS в PC DOS (версия 3.0) в августе 1984 года, который стал первым компонентом DOS, использующим расширенную память. VDISK.SYS не был доступен в MS DOS от Microsoft, поскольку, в отличие от большинства компонентов ранних версий PC DOS, он был разработан IBM. Microsoft включила аналогичную программу RAMDRIVE.SYS в MS DOS 3.2 (выпущенную в 1986 году), которая также могла использовать расширенную память. Особенностью RAM-диска, разработанного Перри Киволовицем для AmigaOS, была его способность переживать большинство сбоев и перезагрузок. Устройство, названное ASDG Recoverable Ram Disk, выживало после перезагрузок благодаря динамическому выделению памяти в обратном порядке от стандартного (функция, поддерживаемая базовой ОС), что уменьшало фрагментацию памяти. Был записан "суперблок" с уникальной сигнатурой, который можно было найти в памяти после перезагрузки. Суперблок и все остальные "блоки" диска RRD поддерживали контрольные суммы для обеспечения недействительности диска в случае обнаружения повреждений. Первоначально ASDG RRD был привязан к платам памяти ASDG и использовался как конкурентное преимущество. Позже ASDG RRD стал доступен как shareware с рекомендуемым пожертвованием в размере 10 долларов. Shareware-версия появилась на дисках 58 и 241 Фреда Фиша. В версии 1.3 AmigaOS также получила восстанавливаемый RAM-диск (называемый "RAD"). Многие Unix и Unix-подобные системы предоставляют некоторую форму функциональности RAM-диска, например, tmpfs в Linux или md(4) в FreeBSD. RAM-диски особенно полезны в высокопроизводительных приложениях с ограниченными ресурсами, для которых часто настраиваются Unix-подобные операционные системы. Существуют также несколько специализированных "ультралегких" дистрибутивов Linux, предназначенных для загрузки со съемных носителей и хранения на RAM-диске в течение всего сеанса.

The first software RAM drive for microcomputers was invented and written by Jerry Karlin in the UK in 1979/80. The software, known as the Silicon Disk System, was further developed into a commercial product and marketed by JK Systems Research which became Microcosm Research Ltd when the company was joined by Peter Cheesewright of Microcosm Ltd. The idea was to enable the early microcomputers to use more RAM than the CPU could directly address. Making bank switched RAM behave like a disk drive was much faster than the disk drives. especially before hard drives were readily available on such machines. The Silicon Disk was launched in 1980, initially for the CP/M operating system and later for MS DOS. The 128kB Atari 130XE (with DOS 2.5) and Commodore 128 natively support RAM drives, as does ProDOS for the Apple II. On systems with 128kB or more of RAM, ProDOS automatically creates a RAM drive named
IBM added a RAM drive named VDISK. SYS to PC DOS (version 3.0) in August 1984, which was the first DOS component to use extended memory. VDISK. SYS was not available in Microsoft's MS DOS as it, unlike most components of early versions of PC DOS, was written by IBM. Microsoft included the similar program RAMDRIVE. SYS in MS DOS 3.2 (released in 1986), which could also use expanded memory. by Perry Kivolowitz for AmigaOS was the ability of the RAM drive to survive most crashes and reboots. Called the ASDG Recoverable Ram Disk, the device survived reboots by allocating memory dynamically in the reverse order of default memory allocation (a feature supported by the underlying OS) so as to reduce memory fragmentation. A "super block" was written with a unique signature which could be located in memory upon reboot. The super block, and all other RRD disk "blocks" maintained check sums to enable the invalidation of the disk if corruption was detected. At first, the ASDG RRD was locked to ASDG memory boards and used as a selling feature. Later, the ASDG RRD was made available as shareware carrying a suggested donation of 10 dollars. The shareware version appeared on Fred Fish Disks 58 and 241. AmigaOS itself would gain a Recoverable Ram Disk (called "RAD") in version 1.3. Many Unix and Unix like systems provide some form of RAM drive functionality, such as on Linux, or md(4) on FreeBSD. RAM drives are particularly useful in high performance, low resource applications for which Unix like operating systems are sometimes configured. There are also a few specialized "ultra lightweight" Linux distributions which are designed to boot from removable media and stored in a ramdisk for the entire session.

Специальные аппаратные накопители RAM

Существуют диски RAM, использующие память DRAM, предназначенную исключительно для функционирования в качестве запоминающего устройства с крайне низкой задержкой. Эта память изолирована от процессора и не имеет к ней прямого доступа, как обычная системная память. Некоторые из первых выделенных RAM-дисков были выпущены в 1983–1985 годах. Ранний пример аппаратного RAM-диска был представлен компанией Assimilation Process в 1986 году для Macintosh. Названный "Excalibur", это был внешний RAM-диск объемом 2 МБ, который продавался по цене от 599 до 699 долларов США. Благодаря расширяемой емкости памяти с шагом в 1 МБ, его внутренняя батарея, как утверждалось, обеспечивала работу в течение 6–8 часов, и, что было необычно для того времени, он подключался через порт для дискет Macintosh. В 2002 году Cenatek выпустила Rocket Drive объемом до 4 ГБ, который имел четыре слота DIMM для памяти PC133 с максимальной емкостью до четырех гигабайт. В то время обычные настольные компьютеры использовали 64–128 мегабайт памяти PC100 или PC133. Один гигабайт модулей PC133 (самый большой доступный на тот момент) стоил около 1300 долларов (1300,0 в 2002 году эквивалентно приблизительно <расчетной сумме> в последние годы). Полностью оснащенный Rocket Drive с четырьмя гигабайтами памяти стоил бы 5600 долларов (5600,0 в 2002 году эквивалентно приблизительно <расчетной сумме> в последние годы). В 2005 году Gigabyte Technology выпустила i RAM объемом до 4 ГБ, который функционировал по существу идентично Rocket Drive, за исключением обновления для использования новой технологии памяти DDR, хотя и с ограничением максимальной емкости до 4 ГБ. Для обоих этих устройств динамическая RAM требует непрерывного питания для сохранения данных; при отключении питания данные стираются. Для Rocket Drive был предусмотрен разъем для внешнего блока питания, отдельного от компьютера, а также возможность подключения внешней батареи для сохранения данных при отключении электроэнергии. i RAM включал небольшую батарею непосредственно на плате расширения, обеспечивающую защиту в течение 10–16 часов. Оба устройства использовали интерфейс SATA 1.0 для передачи данных с выделенного RAM-диска в систему. Интерфейс SATA был узким местом, ограничивающим максимальную производительность обоих RAM-дисков, но эти диски по-прежнему обеспечивали исключительно низкую задержку доступа к данным и высокую устойчивую скорость передачи по сравнению с механическими жесткими дисками. В 2006 году Gigabyte Technology выпустила GC RAMDISK объемом до 8 ГБ, являющуюся вторым поколением i RAM. Его максимальная емкость составляет 8 ГБ, что вдвое больше, чем у i RAM. Он использовал порт SATA II, также вдвое превышающий пропускную способность i RAM. Одним из его главных преимуществ является возможность использования в качестве загрузочного устройства. В 2007 году ACard Technology выпустила диск ANS 9010 Serial ATA RAM объемом до 64 ГБ. Цитата из технического отчета: ANS 9010 "имеет восемь слотов DDR2 DIMM и поддерживает до 8 ГБ памяти на слот. ANS 9010 также оснащен парой портов Serial ATA, что позволяет ему функционировать как один диск или маскироваться под пару дисков, которые можно легко разделить на еще более быстрый RAID 0-массив". В 2009 году Acard Technology выпустила динамический SSD SATA II RAM Disk ACARD ANS 9010BA 5,25", объемом до 64 ГБ. Он использует один порт SATA II. Оба варианта оснащены одним или несколькими интерфейсами карт CompactFlash, расположенными на передней панели, что позволяет копировать энергонезависимые данные, хранящиеся на RAM-диске, на карту CompactFlash в случае отключения электроэнергии и разряда батареи резервного питания. Две кнопки, расположенные на передней панели, позволяют пользователю вручную создавать резервные копии / восстанавливать данные на RAM-диске. Сама карта CompactFlash не доступна пользователю обычными средствами, поскольку карта CF предназначена исключительно для резервного копирования и восстановления данных RAM. Емкость карты CF должна соответствовать или превышать общую емкость модулей RAM, чтобы эффективно работать в качестве надежной резервной копии. В 2009 году DDRdrive, LLC выпустила DDRDrive X1, которая, как утверждается, является самым быстрым твердотельным накопителем в мире. Диск представляет собой основной 4 ГБ DDR-диск, предназначенный для регулярного использования, который может создавать резервные копии и восстанавливать данные с 4 ГБ SLC NAND-накопителя. Целевой рынок – хранение и запись журналов. В случае потери питания данные могут быть сохранены на внутреннем 4 ГБ SSD в течение 60 секунд с помощью резервного питания от батареи. После восстановления питания данные можно вернуть в RAM. Отключение питания от хоста приводит к тому, что DDRdrive X1 создает резервную копию энергозависимых данных на встроенный энергонезависимый накопитель.

There have been RAM drives which use DRAM memory that is exclusively dedicated to function as an extremely low latency storage device. This memory is isolated from the processor and not directly accessible in the same manner as normal system memory. Some of the first dedicated RAM drives were released in 1983 1985. An early example of a hardware RAM drive was introduced by Assimilation Process in 1986 for the Macintosh. Called the "Excalibur", it was an external 2MB RAM drive, and retailed for between $599 and $699 US. With the RAM capacity expandable in 1MB increments, its internal battery was said to be effective for between 6 and 8 hours, and, unusual for the time, it was connected via the Macintosh floppy disk port. In 2002, Cenatek produced the Rocket Drive, max 4 GB, which had four DIMM slots for PC133 memory, with up to a maximum of four gigabytes of storage. At the time, common desktop computers used 64 to 128 megabytes of PC100 or PC133 memory. The one gigabyte PC133 modules (the largest available at the time) cost approximately $1,300 (1300.0 in 2002 is equivalent to about <calculated amount> in recent years). A fully outfitted Rocket Drive with four GB of storage would have cost $5,600 (5600.0 in 2002 is equivalent to about <calculated amount> in recent years). In 2005, Gigabyte Technology produced the i RAM, max 4 GB, which functioned essentially identically to the Rocket Drive, except upgraded to use the newer DDR memory technology, though also limited to a maximum of 4 GB capacity. For both of these devices, the dynamic RAM requires continuous power to retain data; when power is lost, the data fades away. For the Rocket Drive, there was a connector for an external power supply separate from the computer, and the option for an external battery to retain data during a power failure. The i RAM included a small battery directly on the expansion board, for 10 16 hours of protection. Both devices used the SATA 1.0 interface to transfer data from the dedicated RAM drive to the system. The SATA interface was a slow bottleneck that limited the maximum performance of both RAM drives, but these drives still provided exceptionally low data access latency and high sustained transfer speeds, compared to mechanical hard drives. In 2006, Gigabyte Technology produced the GC RAMDISK, max 8GB, which was the second generation creation for the i RAM. It has a maximum of 8 GB capacity, twice that of the i RAM. It used the SATA II port, again twice that of the i RAM. One of its best selling points is that it can be used as a boot device. In 2007, ACard Technology produced the ANS 9010 Serial ATA RAM disk, max 64 GB. Quote from the tech report: The ANS 9010 "which has eight DDR2 DIMM slots and support for up to 8 GB of memory per slot. The ANS 9010 also features a pair of Serial ATA ports, allowing it to function as a single drive or masquerade as a pair of drives that can easily be split into an even faster RAID 0 array." In 2009, Acard Technology produced the ACARD ANS 9010BA 5.25'' Dynamic SSD SATA II RAM Disk, max 64GB. It uses a single SATA II port. Both variants are equipped with one or more CompactFlash card interface located in the front panel, allowing non volatile data being stored on the RAM drive to be copied on the CompactFlash card in case of power failure and low backup battery. Two pushbuttons located on the front panel allows the user to manually backup / restore data on the RAM drive. The CompactFlash card itself is not accessible to the user by normal means as the CF card is solely intended for RAM backup and restoration. The CF card's capacity has to meet / exceed the RAM module's total capacity in order to effectively work as a reliable backup. In 2009, DDRdrive, LLC produced the DDRDrive X1, which claims to be the fastest solid state drive in the world. The drive is a primary 4GB DDR dedicated RAM drive for regular use, which can back up to and recall from a 4GB SLC NAND drive. The intended market is for keeping and recording log files. If there is a power loss the data can be saved to an internal 4GB ssd in 60 seconds, via the use of a battery backup. Thereafter the data can be recovered back in to RAM once power is restored. A host power loss triggers the DDRdrive X1 to back up volatile data to on board non volatile storage.