Лекция 9. Организация внешних устройств памяти

 

План: 1. Внешняя память.

2. Классификация накопителей

 

Внешняя память ЭВМ организуется в виде накопителей информации. Основными элементами таких накопителей являются носители информации и устройство записи-считывания данных. Носители информации обычно выполняются в виде жёстких дисков, гибких дисков, cd и dvd дисков, магнитных лент.

Первая модель жёсткого диска имела 30 дорожек по 30 сектаров, что совпало с калибром ружья “Винчестер” и определило его последующее наименование. Современные жесткие диски используют модули подключения: IDE, MiniIDE, SATA I, SATA II. IDE и MiniIDE. Модуль MiniIDE используется в ноутбуках, поэтому он намного компактнее и дороже, чем его аналог IDE.

На современном рынке появились новые винчестеры, оснащенные модулями SATA I и SATA II. Эти винчестеры стоят в несколько раз дороже, но имеют большую скорость записи. С помощью пары таких винчестеров можно создать RAID массив. Различают следующие типы таких массивов:

1. Raid 0 (striping) объединяет два диска в одну метку тома, тем самым увеличивает скорость записи и объем.

2. Raid 1 (data mirroring) делает точную копию одного винчестера на другом, тем самым увеличивается безопасность сохранения информации.

3. Raid 0+1 объединяет в себе Raid 1 и Raid 0, но требует 4 винчестера.

4. JBOD позволяет установить операционную систему на SATA диск (ни в одном другом режиме массив RAID не позволяет устанавливать операционную систему на диск SATA).

Примерно такие же массивы существуют в SATA II.

Винчестер может иметь собственную кэш – память. Во время запуска программы с винчестера, она заносится в кэш-память и при повторном запуске уже не требует поиска на винчестере.

Классификация накопителей. Для хранения программ и данных в IBM PC-совместимых пер­сональных компьютерах используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотни раз превосходит емкость оперативной памяти. По отношению к компьютеру нако­пители могут быть внешними и встраиваемыми (внутренними). В первом случае такие устройства имеют собственный корпус и ис­точник питания, что экономит пространство внутри корпуса ком­пьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания. Встраиваемые накопители крепятся в специальных мон­тажных отсеках (drive bays) и позволяют создавать компакт­ные системы, кото­рые совмещают в системном блоке все необходимые устрой­ства.

Сам накопитель можно рассматривать как совокупность носи­теля и соответствующего привода. В связи с этим различают на­копители со сменным и несменным носителями. В зависимости от типа носителя все накопители можно подразделить на нако­пители на магнитной ленте и дисковые накопители. Накопители на магнитной ленте в свою очередь бывают двух видов: накопи­тели на полудюймовых девятидорожечных лентах, работающие в старт-стопном режиме, и стриммеры, работающие в потоковом (инерционном) режиме. Накопители на магнитной ленте назы­вают также устройствами последовательного доступа, так как об­ратиться к удаленным фрагментам данных можно только после считывания менее удаленных. Накопители же на дисках, как пра­вило, являются устройствами произвольного доступа, поскольку нужные данные могут быть получены без обязательного прочтения им предшествующих.

По способу записи / чтения информации на носитель дисковые накопители можно подразделить на магнитные, оптические и маг­нитооптические. Среди дисковых накопителей можно выделить:

· накопители на флоппи-дисках;

· накопители на флоптических дисках;

· накопители на несменных жестких дисках (винчестеры);

· накопители на сменных жестких дисках;

· накопители на сменных гибких дисках, использующие эффект Бернулли;

· накопители на магнитооптических дисках;

· накопители на оптических дисках с однократной записью и многократным чтением CD-R;

· накопители на оптических дисках с многократной записью и многократным чтением CD-RW;

· накопители на оптических компакт-дисках CD-ROM (Compact Disk ROM).

Cd, floppy и оптические диски – это диски, на рабочей поверхности которых информация записывается посредством прожига лазерным лучем. Такие диски, покрыты тонким напылением алюминия, имеет одну дорожку в форме спирали. Участки рабочей поверхности, поглащающие луч, воспринимаются при чтении как 0, отражающие луч – как 1.

Магнитные диски используют рабочую поверхность в виде магнитного материала. Весь магнитный диск делится на сектора и дорожки.

В последнее время появились сменные винчестеры, которые чаще всего ис­пользуются в портативных компьютерах.

Логическая структура дисков. Все винчестеры и флоппи-диски, поддерживаемые MS-DOS, за рядом исключений, имеют сходный логический формат. Под логическим форматом понимается то, что на диске резервируют­ся определенные области для хранения служебной информации, необходимой операционной системе для работы с этим устройством. Процесс создания и заполнения таких областей носит на­звание логического форматирования. Для создания логической структуры диска используются специальные программы, входя­щие обычно в состав операционной системы или существующие как независимые утилиты. Заметим, что содержимое создавае­мых областей может полностью или частично заполняться и из­меняться не только во время форматирования, но и в процессе последующей работы с данным диском.

Практически каждый диск содержит следующие облас­ти: загрузочная запись, или сектор BR (Boot Record), две (одну) таблицы размещения файлов (FAT – File Allocation Table), кор­невой каталог RD (Root Directory) и область данных DA (Data Area).

Загрузочный сектор BR каждого диска занимает по определе­нию только один сектор.

Таблица размещения файлов располагается непосредственно после загрузочной записи и имеет переменный размер (разумеет­ся, в секторах). FAT используется для хранения сведений о раз­мещении файлов на диске. Заметим, что эта таблица состоит из элементов (12-, 16- или 32-битных), каждый из которых соответству­ет определенному участку дискового пространства и присвоен­ным кодом характеризует его состояние: занят, свободен или имеет дефект. В самом начале каждой таблицы FAT (первый элемент) хранится так называемый дескриптор (media descriptor), опреде­ляющий тип носителя (например, для жесткого диска – F8h). Отметим, что минимальным элементом, которым MS-DOS оперирует при работе с дисками, является не сектор, а кластер. Кластеры состоят из нескольких секторов (2, 4 и т.д.). Для дисков с магнитным носителем обычно используются две копии FAT, которые следуют одна за другой. Содержимое их полностью дуб­лируется.

Корневой каталог диска всегда занимает строго фиксирован­ное место – сразу за последней таблицей FAT. Он состоит из ограниченного числа записей, каждая из которых содержит информацию о файле или другом каталоге (подкатало­ге), а также метке диска. Все остальное место на диске занимает область данных, содержащая файлы данных или подкаталогов.

Флоппи-диски. До настоящего времени приводами для флоппи-дисков осна­щается большинство IBM PC-совместимых компьютеров. Они используются как для архивирования и хранения небольших объ­емов информации, так и для ее переноса с одного компьютера на другой.

История гибкого магнитного (флоппи) диска началась с того момента, когда магнитный слой нанесли на основу, подобную той, что используется в магнитной ленте. Что­бы не поцарапать и не испачкать поверхность носителя, диск поместили в достаточно жесткий пластиковый конверт, внутри которого он мог свободно вращаться. Первые флоппи-диски имели диаметр 8 дюймов (около 200 мм) и использовались на больших и мини-компьютерах.

Заметим, что уже на первых IBM PC использовались приводы для дисков диаметром 5,25 дюйма (133 мм), которые впервые появились в 1976 году. Первоначально на одном таком диске можно было записать всего 160 Кбайт информации, причем маг­нитный слой был нанесен только с одной стороны основы носи­теля. После того как магнитный слой стали наносить на пластиковую основу с обеих сторон, емкость носителя удвоилась. Соот­ветственно привод стал использовать уже две головки. По мере развития технологии стала увеличиваться плотность записи, поя­вились 5-дюймовые дискеты емкостью 360 Кбайт, а затем и 1,2 Мбайта.

В последующем дискеты стали выпускаться с диаметром 3,5 дюйма (89 мм). Их емкость сначала составляла 720 Кбайт, но вско­ре достигла величины 1,44 Мбайт. При такой плотности записи защита магнитного слоя становится особенно актуальной, поэто­му сам магнитный диск был спрятан в прочный пластмассовый корпус, а зона контакта головок с его поверхностью закрыта от случайных прикосновений специальной шторкой, которая ото­двигается только внутри накопителя.

Первый 3,5-дюймовый привод и соответствующий микрофлоппи-диск (micro floppy disk) были разработаны в 1980 году фирмой Sony. Несколь­ко позже эта система была принята в качестве стандарта такими организациями, как ISO и ANSI.

В последнее время все более широкое применение находят сменные жесткие диски. Они обычно используется для двух целей:

· периодическое сохранение данных на внешнем носителе;

· обмен информацией.

Сменные жесткие диски являются надежным, бы­стрым и комфортабельным средством обмена информацией.

У сменного винчестера переносным является не только носитель информа­ции, но и фактически весь дисковод, который вынимается из своих направ­ляющих в корпусе PC. Для извлечения дисковода на передней панели имеется специальная ручка. С обратной его стороны находится адаптер, который обычно обеспечивает силовое питание и связь для приема-передачи данных.

Этот тип сменного диска не рекомендуется для частого обмена информа­цией по двум причинам:

1. Данные жесткие диски достаточно надежны, но только если они прочно установлены в корпусе. Они совсем не готовы к восприятию внешних весьма значительных воздействий, зачастую возникающих при их транспортировке.

2. Второе соображение является результатом практической работы. Если вы вынимаете один винчестер и вставляете другой, то, естественно, каж­дый раз должны записать соответствующие параметры в CMOS Setup (в случае, если речь не идет о дисках с идентичными параметрами).

Отсюда можно сделать вывод: сменные жесткие диски, главным образом, сле­дует использовать только для целей архивации данных.

Стриммер, как и сменный жесткий диск, можно приобрести в виде внутренне­го или внешнего периферийного устройства. В качестве носителя информа­ции стриммер использует магнитную ленту, которая похожа на ленту в обыч­ной аудиокассете.

Стриммеры в основном используются для архивации и резервного копирова­ния больших объемов данных на компактные носители. Недостатком является малая скорость передачи информации. Она значительно ниже, чем у винчестеров и сменных жестких дисков. Поэтому стриммеры нельзя рекомендовать для использования в других целях, кроме как для резервного копирования информации.

Имеются различные модели, причем устройства размера 3,5" почти полнос­тью вытеснили устройства размером 5,25". Емкость стриммера определяется и длиной носителя. Она может достигать значений от 40 Мбайт до 1 Гбайта. При этом применяются различные методы сжатия данных.

В качестве стандарта для стриммера выбран стандарт QIC (Quarter Ineb Car­tridge Drive Standard). Благодаря этому стандарту стало возможным ус­танавливать различные ленты на различные приводы и достигать программ­ной совместимости при работе с ними.

Магнитооптические накопители. Магнитооптические накопители уже получили достаточно широкое распространение, однако не настолько широкое, как хотелось бы, из-за их соотношения цена/производительность.

Floptical – состав­ное слово, образованное от слов Floppy-диск и Optical-диск. Принцип работы этого привода ясен из названия. Floptical имеет размер 3,5" и может быть прочитан или записан на внешнем или внутреннем дисководе. Емкость таких накопителей достигает нескольких десятков мегабайт. При опти­ческом чтении дорожек запись осуществляется обычными магнитными сред­ствами, как у дискет.

МО-привод (Magneto-Optical– магнитооптический) представляет собой нако­питель, в основу которого положен магнитный носитель с оптическим (лазерным) управлением.

По принципу устройства МО-носитель подобен CD-ROM. Но между слоем носи­теля и рефлектора нанесено дополнительное напыление, которое реагирует как на оптическое, так и на магнитное воздействие. В качестве головки запи­си/чтения служит лазер, который нагревает отдельные участки поверхности до температуры около 150°С. Благодаря этому элементы промежуточного слоя взаимодействуют друг с другом и после охлаждения намагничиваются. Этот процесс можно повторять любое количество раз, потому что поверхность и слой носителя защищены. Второй лазер предназачен для чтения информации.

Емкость МО-привода подобна CD-ROM. В зависимости от формата она может быть 128 Мбайт (3,5’’) или более 650 Мбайт (5,25’’). Время доступа равно 70 мс. Средняя скорость передачи данных может достигать 700 Кбайт/с.

Основным недостатком МО-накопителей является их цена. Она все еще достаточно высока.

Накопители на гибких магнитных дисках Бернулли (картриджах), которые производит фирма IOmega, применяются гибкие магнитные диски 3,5 и 5,25" объемом 150 Мбайт и более.

Принцип, положенный в основу работы накопителей, базируется на откры­тии швейцарского математика Даниила Бернулли (1700 – 1782), которое заключается в том, что чем выше скорость потока жидкости или газа через произволь­но выбранное сечение, тем меньше статическое давление, а при уменьшении скорости потока статическое давление возрастает. Фирма IOmega применила этот принцип при создании картриджа со сменным гибким диском. Когда гибкий диск вращается внутри карт­риджа (конструкционные требования к картриджу высоки) с большой ско­ростью (3600 об/мин), он становится псевдожестким диском.

Конструкционной особенностью накопителя Бернулли является использование пластины специального профиля (пластины Бернулли), которая располагается над гибким диском. Поток воздуха между пластиной и вращающимся гибким диском заставляет последний подниматься к пластине. Магнитные подвижные головки записи/чтения расположены в прорезях пластины. Верхнее расположение магнитных головок имеет ряд достоинств. Вращающийся диск притягивается к головке на расстояние долей микрона, но не касается ее (зазор между носителем и головкой в накопителях Бернулли меньше, чем в жестких дисках).

Среднее время доступа к данным около 18 мс. Когда скорость диска падает, он плавно отходит от магнитной головки, т. е. в принципе исключается воз­можность касания головкой поверхности диска в случае механического от­каза или отключения электропитания. Помимо высокоточного исполнения всех узлов, накопитель Бернулли должен обладать достаточной прочностью. Накопители Бернулли выпускаются как во встраиваемом в компьютер вари­анте, так и для внешнего подключения. Модель MultiDisk-150 размещается в отсеке для пятидюймового дисковода и подключается к адаптеру IDE. Для пор­тативного устройства требуется плата адаптера SCSI с внешним разъемом.

Гибкие магнитные диски этого типа встречаются еще край­не редко.

Накопители на гибких магнитных дисках Zip. К малогабаритным устройствам резервного копирования относятся накопи­тели Zip на сменных гибких магнитных дисках, разработанные фирмой IOmega. Картридж накопителя Zip содержит гибкие магнитные диски, обес­печивающие хранение данных объемом до 100 Мбайт. Причем сам накопи­тель, использующий такой картридж, может быть внешним или встраивае­мым.

Эти устройства базируются на традиционной технологии магнитных носите­лей, но имеют более совершенную систему позиционирования головок запи­си/чтения и надежную механику привода.

Приводы Zip имеют хорошее соотношение цена/произво­дительность и превосходят по своим характеристикам все имеющиеся сегодня накопители со сменными носителями.

В накопителях Zip предусмотрена функция введения пароля, что позволит хранить конфиденциальную информацию.

 

Литература:

1. Айден К., Фибельман Х., Крамер М. Аппаратные средства РС. С-Пб.:BHV – C-Петербург, 1997.

2. Чепурной В., Устройства хранения информации. – СПб.: BHV – C-Петербург, 1998.

Лекция 10. Процессоры.

План: 1. Общая структура арифметических процессоров

2. Взаимодействие компонентов процессора

Процессор – это устройство ЭВМ, реализующее собственно вычислительный процесс в соответствии с заданным алгоритмом.

 

 

Обобщенная структурная схема процессора

 

АЛУ – арифметико-логическое устройство;

ЦУУ – устройство управления:

БС – блок синхронизации;

БУК – блок управления командой;

БУО – блок управления операцией;

УР - управляющие регистры:

- слово состояния программы (регистр органов);

- регистр/счетчик команд;

- регистр маски и т.д.;

СОЗУ (стек);

БССП – блок связи с памятью.

Различают процессоры следующих типов:

- универсальные, предназначенные для регулирования управления и контроля всей ЭВМ (центральный процессор – СРU);

- специализированные, для решения определенного класса задач, в частном случае – сопроцессор.

- конвейерного типа, включающие последовательно соединенные блоки для выполнения отдельных групп операций;

- векторного типа, позволяющие обрабатывать несколько параметров одновременно по одной программе;

- ассоциативного типа, предназначенные для обработки больших массивов символьной информации.

В современных компьютерах в составе процессора объеденены арифметико-логическое устройство (АЛУ) и центральное устройство управления (ЦУУ).

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения:

- арифметических операций;

- логических операций;

- операций сдвига;

- операции над алфавитно-цифровыми полями.

 

Обобщенная структурная схема АЛУ

БВР (СОЗУ) – блок внутренних регистров – собственные регистры АЛУ – служит для временного (на период выполнения команд) хранения операндов и промежуточных результатов;

БО – блок операций (блок фактической обработки данных).

БКД- блок контроля и диагностики.

АЛУ различаются:

1. По способу обмена информацией на:

- последовательные (последовательно-параллельные);

- параллельные (параллельно-последовательные);

2. По форме представления данных:

- для чисел с фиксированной точкой;

- для чисел с плавающей точкой;

- для обработки десятичных цифр;

3. По вычислению в системах счисления:

- в двоичной системе;

- в десятичной системе;

- в остальных системах счисления;

- в системе Фибоначчи;

4. По структуре:

- универсальные, в которых все операции системы команд выполняются с участием одних и тех же блоков;

- конвейерные, разбитые на последовательно соединенные блоки. Каждый блок выполняет несколько (в пределе одну) похожих операций из системы команд.

Устройство управления (УУ) обеспечивает автоматического управления процессом вычислений, координацию работы всех устройств ЦВМ посредством выработки соответствующих синхронизирующих и управляющих сигналов.

 

 

Обобщенная структурная схема УУ.

БУК – блок управления командой – служит для выборки, хранения и дешифрации кода очередной команды и формирует исполнительный адрес следующей команды. Содержит:

РгК – регистр команды. Принимает на выполнение очередную команду из ЗУ, которая состоит из кода операции (КО) и адресной части (А).

Дш КО – дешифратор кода операций;

БОА – блок обработки адресов. Выполняет формирование адреса очередной команды и включает:

ПДР – программно–доступные регистры;

Сч АК – счетчик адреса команд;

SмА – сумматор адресов.

БУО – блок управления операцией. Вырабатывает управляющие сигналы с учетом:

КО – кода операции;

ОС – оповещающих сигналов;

УС – сигналами условий;

Сигналы ОС и УС вырабатываются другими устройствами ЭВМ.

БС – блок синхронизации вырабатывает тактовые и синхронизирующие сигналы;

В зависимости от способа организации БУО УУ подразделяются на:

· УУ со схемным формированием УС (УУ с «жесткой» логикой);

· УУ с программируемой логикой (микропрограммные УУ).

В БУО с «жесткой» логикой последовательность управляющих сигналов вырабатывается посредством логических схем. Для выполнения команд «разной» (по времени) длины используются дополнительные счетчики тактов.

Такие БУО строятся на основе принципа интерпретации микропрограмм для выполнения операций. Для чего на языке микроопераций описывается микропрограмма выполнения какой-либо команды из системы машинных команд ЭВМ. На основе микропрограмм выполнения машинных операций строится управляющий автомат (Мили или Мура).

 

 

Обобщенная структурная схема УУ с «жесткой» логикой

 

ГТИ – генератор тактовых импульсов;

РТС – распределитель тактовых сигналов;

Q₁,Q₂…Q_m – m-команд системы машинных команд ЭВМ;

I₁,I₂…I_k – количество числа тактов, необходимых для выполнения самой длинной операции;

x₁,x₂…x_L – сигналы логических условий;

y₁,y₂…y_n – управляющие сигналы.

В БУО микропрограммного типа каждой микропрограмме соответствует свое управляющее слово. Такое слово определяет порядок функционирования устройства в течении одного такта. Микропрограмма выполнения каждой машинной команды из системы команд состоит из последовательности микрокоманд и хранится в памяти микропрограмм «постоянного» типа. Таким образом, можно менять набор микрокоманд непосредственно в процессе вычислений путем перепрограммирования МП.

БУО микропрограммного типа имеют следующие преимущества:

· большая гибкость;

· регулярная структура (длина микрокоманды – постоянна и не зависит от «длины» команды);

· возможность построения эффективной схемы микродиагностики.

Организация мультипрограммной работы ЭВМ. Для организации мультипрограммного режима работы ЭВМ необходимы средства защиты памяти и развитая система прерывания.

При организации мультипрограммного режима работы ЭВМ, каждому пользователю должна быть выделена своя (недоступная для других пользователей) область памяти.

Защита выделенной области памяти от несанкционированного доступа может быть выполнена одним из следующих методов:

· защита по граничным адресам;

· защита по маскам;

· защита по ключам защиты.

Защита по граничным адресам заключается в том, что для каждой программы (пользователя) запоминается начальный и конечный адреса отведенной памяти. В этом случае достигается максимальное использование ОЗУ, однако имеет место очень медленный доступ к данным.

В случае защиты по маскам вся оперативная память разбивается на участки фиксированной длины, называемые страницам. Процессор имеет так называемый регистр маски, каждый разряд которого отвечает за одну страницу. Если i-й разряд равен “1”, то i-тая страница занята каким либо пользователем, если i-й разряд регистра маски равен “0”, то соответствующая страница (i-тая) никем не занята. Каждая программа имеет собственный регистр маски с записью доступных для нас страниц.

Существо метода защиты памяти по ключам состоит в том, что вся память также разбивается на страницы. При занятии страницы какой-либо программой, ей ставится в соответствии ключ защиты памяти, который записывается в память ключей защиты. При повторном обращении к странице происходит сравнение ключа защиты памяти,введенного пользователем, с ключом защиты памяти, хранящимся в памяти ключей защиты. В случае совпадения ключей, страница доступна постоянно. При несовпадении ключей защиты, реализуется предусмотренный режим защиты:

- проверка режим защиты;

- защита от записи (страница может открываться в режиме «только для чтения»);

- защита от чтения (страница полностью недоступна).

При несовпадении ключей защиты памяти и отсутствия режима защиты, страница также недоступна.

Система прерывания обеспечивает возможность для программы с более высоким приоритетом, прерывать выполнение программы, имеющей более низкий приоритет, с последующим возвратом к выполнению прерванной программы. Она представляет совокупность специальных аппаратных и программных средств, обеспечивающих переход от одной программы к другой, в мультипрограммном режиме работы ЭВМ.

Прерывание осуществляется по запросам прерывания. Такие запросы подразделяются на внешние (от других ЭВМ, датчиков и т.д.) и внутренние (от аппаратуры контроля, ошибки в программах и др.)

Запросы на прерывание могут обслуживаться в порядке их поступления или согласно присвоенного им приоритету. Основными характеристиками системы прерывания являются:

· время реакции t между появлением запроса на прерывание и началом обработки прерывания;

· глубина прерывания – максимальное число программ, прерывающих друг друга последовательно возникающими запросами.

Прерывать выполняемую программу можно в разные моменты t:

· после окончания команды, разрешающей прерывание (с помощью специального разряда);

· после выполнения любой текущей команды;

· во время выполнения текущей команды после окончания любого из тактов работы ЭВМ.

Перед входом в прерывание должно быть организовано запоминание:

· основной информации (адрес следующей за текущей (т.е. первой невыполненной) команды, состояние управляющих триггеров, режим работы прерванной программы, маски прерывания и т.д.), Ее запоминание реализуется всегда с помощью аппаратных средств.

· дополнительной информации (содержимое регистров, к которым будет обращаться прерывающая программа). Запоминается начальными командами прерывающей программы.

После обработки прерывания происходит восстановление сохраненной информации аналогичным способом.

В персональных ЭВМ (компьютерах) принята векторная система прерываний, при которой каждому из устройств присваивается свой вектор, содержащий начальный адрес обрабатывающей программы и регистр флагов. Указанные вектора хранятся в специально отведенной области памяти (младшие адреса ОЗУ). Они разделены на пять приоритетных классов. Внутри каждого класса действует фиксированный электрический приоритет.

Литература:

1. Галкин В.А., Григорьев Телекоммуникации и сети. М.: изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003 – 608с: ил.

2. Тынымбаев С.Т. Вычислительные машины, системы, комплексы и сети. Учебник для вузов. 2-ое издание. – Алматы:: Рауан, 1997-366с.