Persistence: Mass-Storage Systems الاستدامة: أنظمة التخزين الشامل (Mass-Storage)
Managing Secondary Storage. HDD vs SSD mechanics, Disk Scheduling algorithms, and RAID redundancy. إدارة التخزين الثانوي. ميكانيكية HDD مقابل SSD، خوارزميات جدولة القرص (Disk Scheduling)، وتكرار RAID.
Physical Storage التخزين الفيزيائي (Physical Storage)
Hard Disk Drive (HDD) Hard Disk Drive (HDD)
Mechanical device. Magnetic platters spin under a moving read-write arm. جهاز ميكانيكي. تدور الأقراص الممغنطة (Platters) تحت ذراع قراءة/كتابة متحرك.
- Track: Concentric circle on a platter. Track: دائرة متحدة المركز على القرص.
- Sector: Smallest unit of transfer (e.g., 512 bytes). Sector: أصغر وحدة للنقل (مثال: 512 بايت).
- Cylinder: Set of tracks at same arm position across all platters. Cylinder: مجموعة من الـ Tracks في نفس موضع الذراع عبر جميع الأقراص.
- Seek Time: Time to move arm to cylinder. (Major bottleneck). Seek Time: الوقت اللازم لتحريك الذراع إلى الـ Cylinder. (عائق رئيسي).
Non-Volatile Memory (NVM) Non-Volatile Memory (NVM)
Electrical device. No moving parts. Faster, more reliable, less power. Used in SSDs, USBs. جهاز كهربائي. لا توجد أجزاء متحركة. أسرع وأكثر موثوقية ويستهلك طاقة أقل. يستخدم في SSD و USB.
- Flash NAND: Data stored in cells. Flash NAND: يتم تخزين البيانات في خلايا (Cells).
- Write Endurance: Cells wear out after many writes. Write Endurance: تتآكل الخلايا بعد عمليات كتابة كثيرة.
- Garbage Collection: NVM cannot overwrite directly; must erase block first. Valid data in block is copied elsewhere, then block is erased. Garbage Collection: لا يمكن للـ NVM الكتابة الفوقية مباشرة؛ يجب مسح الكتلة (Block) أولاً. يتم نسخ البيانات الصالحة إلى مكان آخر، ثم مسح الكتلة.
HDD Scheduling جدولة القرص الصلب (HDD Scheduling)
The OS must minimize seek time. Given a queue of requests (e.g., Cylinders 98, 183, 37...), which one to serve next? يجب على نظام التشغيل تقليل وقت البحث (Seek Time). بالنظر إلى طابور من الطلبات (مثال: Cylinders 98, 183, 37...)، أيهم يجب خدمته تالياً؟
FCFS (First-Come First-Served) FCFS (من يأتي أولاً يُخدم أولاً)
Fair, but slow. Head swings wildly across the disk. عادلة، لكنها بطيئة. يتأرجح الرأس بشكل عشوائي عبر القرص.
SCAN (Elevator Algorithm) SCAN (خوارزمية المصعد)
Disk arm starts at one end and moves toward the other, servicing requests. At the end, it reverses direction. يبدأ ذراع القرص من طرف ويتحرك نحو الآخر، خادماً الطلبات في طريقه. عند النهاية، يعكس اتجاهه.
C-SCAN (Circular SCAN) C-SCAN (المسح الدائري)
Like SCAN, but when it reaches the end, it immediately returns to the beginning without servicing requests on the return trip.
مثل SCAN، لكن عند الوصول للنهاية، يعود فوراً للبداية دون خدمة أي طلبات في رحلة العودة.
Provides more uniform wait time.
توفر وقت انتظار أكثر انتظاماً.
Device Management إدارة الأجهزة (Device Management)
Formatting التهيئة (Formatting)
- Low-Level (Physical) Formatting: Dividing disk into sectors. Done at factory. Low-Level (Physical) Formatting: تقسيم القرص إلى قطاعات (Sectors). يتم في المصنع.
- Partitioning: Dividing disk into groups of cylinders (e.g., C:, D:). Partitioning: تقسيم القرص إلى مجموعات من الـ Cylinders (مثل C: و D:).
- Logical Formatting: Making a file system (NTFS, EXT4). Initializing data structures. Logical Formatting: إنشاء نظام ملفات (NTFS, EXT4) وتهيئة هياكل البيانات.
Swap-Space Management إدارة مساحة التبادل (Swap-Space)
Extension of main memory. امتداد للذاكرة الرئيسية (RAM).
RAID (Redundant Array of Independent Disks) RAID (مصفوفة الأقراص المستقلة المتكررة)
Using multiple disks together to improve Reliability (Redundancy) and Performance (Parallelism). استخدام عدة أقراص معاً لتحسين الموثوقية (التكرار) و الأداء (التوازي).
Data spread across disks.
توزيع البيانات عبر الأقراص.
+ Very Fast.
+ سريع جداً.
- No Redundancy (1 failure = data loss).
- لا يوجد تكرار (فشل واحد = فقدان البيانات).
Copy data to second disk.
نسخ البيانات إلى قرص ثانٍ.
+ Very Reliable.
+ موثوق للغاية.
- Expensive (Uses 50% capacity).
- مكلف (يستخدم 50% من السعة).
Striping with Parity distributed across disks.
Striping مع توزيع الـ Parity عبر الأقراص.
+ Good balance of Speed, Space, and Safety.
+ توازن جيد بين السرعة، المساحة، والأمان.
Can survive 1 disk failure.
يمكنه الصمود أمام فشل قرص واحد.
The Exam Vault خزنة الاختبار (Exam Vault)
Professor's Secrets & Trap Avoidance أسرار البروفيسور وتجنب الفخاخ
TRAP: Seek vs Latency فخ: Seek مقابل Latency
Seek Time: Moving the ARM to the correct cylinder (Mechanical, Slow).
Seek Time: تحريك الذراع (ARM) إلى الـ Cylinder الصحيح (ميكانيكي، بطيء).
Rotational Latency: Waiting for the SECTOR to spin under the head.
Rotational Latency: انتظار دوران الـ SECTOR تحت الرأس.
Scheduling algorithms (SCAN) optimize Seek Time, not Latency.
خوارزميات الجدولة (SCAN) تحسن الـ Seek Time وليس الـ Latency.
TRAP: RAID Reliability فخ: موثوقية RAID
RAID protects against Disk Failure (Hardware), not human error, virus, or fire.
RAID يحمي من فشل القرص (Hardware)، ليس من الخطأ البشري، الفيروسات، أو الحريق.
It is NOT a backup solution. You still need backups.
إنه ليس حلاً للنسخ الاحتياطي (Backup). ما زلت بحاجة لنسخ احتياطية.
SECRET: SSD Scheduling سر: جدولة SSD
Disk scheduling algorithms (SCAN, C-SCAN) are useless for SSDs because SSDs have no moving parts. Random access is as fast as sequential access. The OS typically uses simple FCFS or merging for SSDs. خوارزميات جدولة القرص (SCAN, C-SCAN) غير مجدية للـ SSD لعدم وجود أجزاء متحركة. الوصول العشوائي سريع كالوصول المتسلسل. يستخدم نظام التشغيل عادة FCFS البسيط للـ SSD.
KEY CONCEPT: Boot Block مفهوم مفتاحي: Boot Block
The computer starts by running the Bootstrap program from ROM. This program must know how to load the full OS from disk. The OS is stored in the Boot Block (usually first sector) of the storage device. يبدأ الحاسوب بتشغيل برنامج Bootstrap من الـ ROM. يجب أن يعرف هذا البرنامج كيفية تحميل نظام التشغيل الكامل من القرص. يُخزن نظام التشغيل في Boot Block (عادة أول قطاع) من جهاز التخزين.