Архитектура ЭВМ 5 страница. Массив дисков позволил решить и проблемы защиты от отказа жёстких дисков и защиты от передаваемой информации от искажений

Массив дисков позволил решить и проблемы защиты от отказа жёстких дисков и защиты от передаваемой информации от искажений. Защита от искажений требует в первую очередь осуществить обнаружение ошибки. Массив дисков позволяет ввести избыточность кодирования и помещать вместе с данными служебную информацию, а также ставить в соответствие одному символу несколько кодовых комбинаций, которые не пересекаются с кодовыми комбинациями близлежащего символа.

Решить проблем защиту от отказа жёсткого диска позволяет приём зеркалирования (рис. 4.5). Зеркалирование предполагает параллельную запись инфор-

Рис. 4.5. RAID-массив с зеркалированием

мации сразу на два диска. Таким образом, один диск является как бы зеркальным отображением другого. На рисунке показаны две пары зеркальных дисков. Наличие двух пар повышает производительность, а наличие зеркал позволяет сохранить данные и программы в случае отказа одного из дисков зеркальной пары.

Описанные идеи легли в основу RAID-массивов 8 основных уровней и
4-х составных уровней, являющихся комбинациями основных. К числу основных уровней относятся RAID-массивы уровней:

· RAID 0 – простой RAID-массив, повышающий производительность;

· RAID 1 – простой RAID-массив с дублированием (зеркалированием);

· RAID 2 – RAID-массив с использованием кода Хэмминга для коррекции и обнаружения ошибок;

· RAID 3 – RAID-массив с параллельной передачей данных и контролем чётности;

· RAID 4 – RAID-массив независимых дисков с диском паритета;

· RAID 5 – RAID-массив независимых дисков с распределённым паритетом;

· RAID 6 – RAID-массив независимых дисков с двумя независимыми распределёнными схемами паритета;

· RAID 7 – RAID-массив оптимизированный для повышения производительности (с кэшированием дисков).

RAID-системы могут быть реализованы программным, аппаратным и комбинированным способом. Программный способ самый дешёвый, но и самый малоэффективный. Он предусматривает реализацию RAID-систем посредством команд операционной системы, позволяет реализовать RAID-системы различных уровней с использованием стандартных дисководов.

Аппаратным способом системы реализуются двумя способами. Первый предусматривает применение стандартных дисководов и специального контроллера. Операционная система общается с ним на уровне обычных команд ввода-вывода. Второй способ предусматривает выполнение RAID-системы в виде отдельного устройства, объединяющее в одном корпусе и массив дисков, и контроллер.

Идея кэширования вполне применима и к дисковым накопителям. Относительно невысокая скорость доступа к данным объясняется тремя причинами:

· необходимы затраты времени на перемещение головки чтения/записи на нужную дорожку;

· существуют затраты времени на погашение вибрации головки;

· необходимы затраты времени на перемещение нужного сектора под головку чтения/записи.

Дисковый кэш – промежуточное звено между магнитным диском и оперативной памятью. Имеет большую ёмкость до 8 Мбайт. Изготавливается по технологиям полупроводниковой памяти. Современные дисководы уже имеют в своём составе дисковый кэш и поддерживают механизм переключения потока данных на прохождение через кэш и мимо кэша.

4.3. Накопители на магнитных носителях для устройств памяти
с последовательным доступом.

Накопители на магнитных носителях с последовательным доступом используют в качестве носителя магнитную ленту и используются в качестве устройств резервного копирования. В ленточных накопителях используется тот же принцип записи, что и накопителях на магнитных дисках – изменение магнитного состояния вещества, покрывающего полистироловую ленту. Накопители классифицируются по следующим признакам: исполнению лентопротяжного механизма (ЛПМ), числу дорожек записи, способу записи и исполнению накопителя (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Классификация накопителей на магнитной ленте

В зависимости от устройства механизма протяжки ленты различают два вида накопителей на магнитной ленте: кассетные и картриджные (рис.4.7). В обоих вариантах лентопротяжные механизмы включают в себя: привод кассет, приёмную (а) и подающую (б) бобины с лентами, направляющие ролики. Бобины насаживаются на вращающиеся валы привода движения ленты, обеспечивающие перемотку ленты с относительно невысокой скоростью во время процесса чтения/записи. Перемотка ленты при поиске данных и от начала к концу и обратно происходит на повышенной скорости. В кассетном ЛПМ обе бобины помещены внутри корпуса кассеты, а в картриджном внутри корпуса картриджа помещена только одна.

а)

б)

Рис. 4.7. Кассетный (а) и картриджный (б) лентопротяжные механизма

Чтение и запись данных в накопителях на магнитной ленте осуществляется головкой чтения/записи, которая имеет непосредственный контакт с лентой. Головка может быть однодорожечной (в настоящее время практически не применяется) и многодорожечной.

Все способы записи предусматривают размещение данных на ленте блоками, как и на диске, однако позиционирование головки на ленте занимает большой промежуток времени. Поэтому такие накопители обеспечивают последовательный доступ к данным, а не прямой. Блоки данных на ленте называются физическими записями и отделяются друг от друга межблочными промежутками. В конце каждого блока помещается специальная магнитная метка (маркер) "конец блока", а в конце ленты помещается маркер "конец ленты".

Схемы записи данных на четырёх дорожках показаны на рис. 4.8. Цифрами обозначены номера блоков. Линейный способ записи предусматривает запись блоков данных вдоль ленты от начала до конца. Однодорожечный способ записи в настоящее время практически не применяется. Возможна запись смежных блоков на смежных дорожках (рис. 48,а). Между блоками имеются межблочные промежутки, занимающие полосы, ориентированные перпендикулярно оси ленты.

 

					…
					…
					…
					…

Направление движения
ленты

а)

 

					…	n-3
					…	n-2
					…	n-1
					…	n
2n-3		…		n+8		n+4
2n-2		…		n+9		n+5
2n-1		…		n+10		n+6
2n		…		n+11		n+7

Направление движения
ленты

б)

Направление движения
ленты

в)

Рис. 4.8. Линейный (а), серпантинный (б) и наклонно-строчный (в) способы записи

Более современный серпантинный способ предусматривает движение ленты в двух направлениях. При записи данных в прямом направлении на ленту записываются блоки с номерами от 1 до n, при записи в обратном направлении – блоки с номерами от n+4 до 2n. Этот способ увеличивает логическую длину ленты.

В обоих случаях на ленте существуют большие полосы между блоками, ориентированные перпендикулярно краю ленты. Большую плотность позволяет

Рис. 4.9. Барабан и лента при наклонно-строчном способе записи

получить наклонно-строчный метод записи (рис. 4.8,в). Тёмные полосы показывают блоки записи, светлые клетки являются межблочными промежутками. Запись и чтение осуществляются двумя головками, размещёнными на быстро вращающемся барабане (рис. 4.9). Наклонная запись обеспечивается смещением в противоположные стороны направляющих роликов вдоль оси барабана и их поворотом относительно его образующей.

Накопители на ленте могут быть выполнены в виде стриммера, автозагрузчика, стекера и ленточных библиотек. Стриммер – накопитель с одним лентопротяжным механизмом и одной кассетой или картриджем, которые сменяются вручную. Автозагрузчик и стекер являются накопителями с одним лентопротяжным механизмом, но оборудуются роботизированным механизмом подачи кассет. Автозагрузчик обеспечивает подачу кассет в произвольном, а стекер – в строго определённом порядке.

Ленточная библиотека – это накопитель, состоящий из нескольких автозагрузчиков или стекеров. Возможны два варианта подачи кассет: с привязкой и без привязки кассет к конкретным стриммерам.

4.4. Устройство и принцип работы накопителей
на оптических дисках.

Выше указывалось, что в основе накопителей на оптических дисках лежит нарушение отражающей поверхности диска вследствие её деформации или изменения её оптических свойств под действием луча лазера. Участки поверхности диска с изменёнными оптическими свойствами называются питами, а с исходными – лендами.

Питы и ленды не являются битами, содержащими единицы и нули. Поверхность пита и ленда всегда содержит нули, количество которых зависит от длины пита или ленда. Переход от пита к ленду или от ленда к питу истолковывается как единица. Таким образом пит и ленд содержат всегда одну единицу в самом старшем разряде и несколько нулей, число которых зависит от длины пита или ленда и от тактовой частоты накопителя. Каждые 14 периодов тактовой частоты отмеряют отрезок времени, в течение которого передаётся один байт.

Как и накопитель на магнитных дисках, накопитель на оптических дисках имеет привод вращения шпинделя и механизм перемещения головки, на которой укреплён лазер. В режиме записи луч имеет повышенную мощность, по сравнению с режимом чтения. В настоящее время различают несколько разновидностей оптических носителей информации:

· прессованные диски, обозначения которых заканчиваются на ROM (CD-ROM, DVD-ROM), информация на которые записывается в момент их производства на технологическом оборудовании и не подлежит изменению;

· однократно записываемые на накопителях диски (CD-R,, CD+R, DVD-R и DVD+R)[12];

· многократно перезаписываемые на накопителях диски (CD-RW, CD+RW, DVD-RW и DVD+RW);

· диски с голубым лучом лазера Blu Ray (BD-R, BD-R, BD-RW, BD+RW).

Разница между CD, DVD и BD определяется длиной волны лазерного луча и устройством диска. В накопителях CD стоят лазеры с длиной волны 780 нм, в накопителях DVD – 650 нм, BD – 405нм. Уменьшение длины волны позволяет уменьшать расстояние между дорожками записи, вследствие чего увеличивается объём хранимой информации.

Дополнительное увеличение объёма записываемой информации получается за счёт применения двухслойных дисков. В обычном диске присутствуют три слоя: подложка, защитный слой и отражающий слой. Диски DVD и BD имеют ещё и полуотражающий слой, нанесённый поверх отражающего. Меняя фокусировку лазера можно записывать информацию на один из слоёв или читать её с выбранного слоя. Получается почти удвоение ёмкости диска.

Ещё большую ёмкость диска можно получить применением двусторонних дисков, имеющих общий отражающий слой.

Информация на диске размещается на сформированной в процессе производства диска дорожке. В отличие от магнитных дисков дорожка имеет форму спирали. Она разбивается на секторы, счёт которых идёт от центра диска. Блок данных содержит следующие поля:

· поле синхронизации 12 байт, в которые записана информация 00 FF FF FF FF FF FF FF FF FF 00;

· поле идентификатора (4 байта), содержащее угловой размер блока в минутах и секундах, номер сектора, и байт режима;

· поле данных 2048 байтов;

· поле корректирующего кода (280 байтов).

Предусмотрено три режима блока: нулевой указывает пустое место, первый режим указывает наличие 2048 байтов данных и необходимость использования корректирующего кода. Второй режим указывает на 2336 байтов данных и отсутствие корректирующего кода.

Для увеличения плотности записи поверхность диска по радиусу разбивается на зоны, и для каждой из них в систему управления шпинделем закладывается своя скорость. По мере перемещения лазерной головки от центра к периферии скорость вращения шпинделя меняется. Тем не менее приводы оптических CD-дисков поддерживают режим записи с постоянной угловой скоростью, обеспечивающий ёмкость диска равную 682 МБ и более быстрый доступ к данным.

4.5. Устройство и принцип работы флеш-памяти NOR и NAND

В основе флэш-памяти лежит запоминающая ячейка на основе полевого транзистора с плавающим затвором (рис. 4.10,а). В зависимости от способа соединения ячеек различают флэш-память типа NOR (рис. 4.10,б) и NAND (рис. 4.10,в).

а)

б)

в)

Рис. 4.10. Схема запоминающей ячейки FLASH-памяти (а), организация памяти NOR (б) и один столбец матрицы NAND (в)

На рис. 4.10, а показана запоминающая ячейка на полевом транзисторе. Электрическое сопротивление выводов 1 и 3 относительно вывода 2 примерно одинаково, поэтому в значительной степени транзистор симметричен, и будет работать даже при перестановке выводов 1 и 3.

На рис. 4.10,б показаны организация памяти NOR. В ней выводы 1 всех ячеек соединены постоянно с "землёй", т.е. поверхностью нулевого потенциала, а выводы 3 – постоянно присоединены к линии битов. На рисунке показаны две ячейки, образующие матрицу 1х2, на практике размерность матрицы во много раз больше как по числу строк, так и по числу столбцов. Выбор одной из ячеек матрицы осуществляется по линии слов WL1 или WL2. После выбора ячейки осуществляется или запись данных по линии битов BL или чтение данных по той же линии. Таким образом, выходной сигнал снимается или с одной ячейки или с другой. Отсюда и название организации памяти NOR (ИЛИ-НЕ).

На рис. 4.10,в показаны две ячейки матрицы 1х2 памяти, организованной по схеме NAND (И-НЕ). В микросхему такой памяти входит множество матриц, таким образом, имеется трёхмерная матрица, состоящая из m строк, n столбцов и k слоёв. Выбор строки в слое осуществляется сигналом, поданным на вход GS транзистора Т1. Строка данных присоединяется к линии битов через транзистор Т2 посредством подачи сигнала на его вывод BLS. Первоначально сигнал выбора слова подаётся на все выводы WL1, WL2 и т.д. Нулевой потенциал попадает на транзистор T2 только при открытых транзисторах всех ячеек. Если нулевой потенциал до транзистора не доходит, то проверка состояния выбранной ячейки памяти производится по сложному алгоритму.

Учитывая, что все транзисторы ячеек могут быть выполнены на одной пластине полупроводника (подложке), и анализируя площади, занимаемые выводами ячеек, можно сделать вывод, что у микросхем типа NOR на кристалле размещается меньше ячеек, чем у микросхем типа NAND. Поэтому микросхемы типа NOR позволяют создать не кристалле до 64 МБ памяти, а микросхемы типа NAND – единицы ГБ. Однако у микросхем скорость доступа к данным выше и алгоритм управления проще, чем у микросхем типа NAND. Поэтому микросхемы типа NOR используются как непосредственная память программ и для хранения небольших объёмов данных, а микросхемы типа NAND – для хранения больших объёмов данных.

Контрольные вопросы:

1. Какие устройства называются внешней памятью машины? Почему? Приведите примеры.

2. Какие характеристики имеют устройства внешней памяти?

3. Что такое ёмкость устройства внешней памяти? В каких единицах измеряется?

4. Что такое единица пересылки?

5. Что такое метод доступа? Какие методы доступа существуют?

6. Какие характеристики определяют быстродействие устройства внешней памяти?

7. Что такое время доступа?

8. Что такое среднее время считывания?

9. Что такое физические диски?

10. Что такое логические диски и как они образуются?

11. На чём основана работа магнитных дисков?

12. Какой способ намагничивания обеспечивает большую плотность записи? Почему?

13. Как понять слова "продольное намагничивание" и "поперечное намагничивание"?

14. Что такое индукция магнитного поля?

15. На чём основана работа оптических накопителей информации?

16. Что такое ленды и питы?

17. Поясните принцип действия твердотельной памяти.

18. Нарисуйте и поясните схему запоминающего элемента твердотельной памяти.

19. Нарисуйте и поясните схему устройства накопителя на магнитном диске с одним носителем.

20. Нарисуйте и поясните схему устройства накопителя на магнитном диске с двумя носителями.

21. Какие схемы устройств считывания используются в накопителях на магнитных дисках?

22. Как устроена головка записи/считывания современного накопителя на магнитных дисках?

23. Что такое дорожки и секторы? Какой вид они имеют и как создаются?

24. Нарисуйте и поясните схему сектора магнитного диска.

25. Какие недостатки имеют накопители с постоянным угловым размером сектора?

26. Что такое RAID-система? Поясните схемой. В каких целях создаются RAID-системы?

27. Нарисуйте и поясните схему RAID-системы без зеркалирования.

28. Нарисуйте и поясните RAID-систему с зеркалированием. Что даёт такая система?

29. Как реализуются RAID-системы аппаратным способом?

30. Как реализуются RAID-системы программным способом?

31. Поясните классификацию накопителей на магнитной ленте.

32. Что такое линейный и серпантинный способ записи?

33. Что такое наклонно-строчный способ записи?

34. Как получается наклонно-строчный способ записи?

35. Что такое картридж и кассета? В чём их достоинства и недостатки?

36. Что такое стриммеры, стекеры и ленточные библиотеки?

37. Как кодируется информация на оптических носителях?

38. Как устроен накопитель на оптических дисках и как организована его поверхность?

39. Поясните классификацию оптических дисков. Как увеличили их ёмкость?

40. Какова схема блока информации на оптическом диске?

41. Поясните организацию твердотельной памяти типа NOR.

42. Поясните организацию твердотельной памяти типа NAND.

5. УСТРОЙСТВА ВВОДА И ВЫВОДА

5.1. Общие принципы организации системы ввода-вывода

Система ввода-вывода осуществляет связь вычислительной машины с внешним миром. Технически она реализуется в виде множества модулей (функционально и технически законченных устройств) ввода-вывода (МВВ). Основное назначение указанных модулей: обеспечение интерфейса с процессором и памятью (большого интерфейса) и обеспечение интерфейса с одним или несколькими внешними устройствами (малого интерфейса).

В настоящее время различают следующие виды подключения системы ввода-вывода к ядру вычислительной системы [1]: с раздельными шинами памяти и ввода-вывода, с совместно используемыми шинами адреса и данных и подключение на общих правах с процессором и памятью (рис. 5.1). На рис. 5.1 приняты обозначения: ЦП – центральный процессор, ОП – оперативная память и СВВ – система ввода-вывода

а)

б)

Управление Данные Адрес ОП ЦП Управление в)

Рис. 5.1. Способы подключения системы ввода-вывода с раздельными шинами памяти
и ввода-вывода (а), с совместно используемыми шинами адреса и данных (б)
и на общих правах с процессором и памятью (в)

Первый вариант обеспечивает возможность одновременного осуществления операций ввода вывода и обращений к памяти, шины системы ввода-вы­вода более просты, чем шины памяти, а значит и дешевле реализуемы. Однако недостатком является наличие большого числа точек подключения к процессору.

Второй вариант предполагает разделение во времени шин адреса и данных между памятью и системой ввода-вывода. Индивидуализация управления памятью и системой ввода-вывода позволяет сделать работу памяти и системы ввода-вывода более эффективной, т.к. позволяет учесть особенности процедур управления памятью и устройствами ввода-вывода.

Третий вариант наиболее простой и дешёвый, однако не в состоянии обеспечить высокую интенсивность и скорость операций обмена данными и командами.

Схема взаимодействия периферийного устройства с элементами системы ввода-вывода и процессором показана на рис. 5.2. Модуль ввода-вывода в этой системе выполняет следующие функции:

· локализацию данных, т.е. организацию потока данных между процессором и определённым внешним устройством;

· управление и синхронизацию, т.е. координацию перемещения данных между внешним устройством и внутренними элементами вычислительной машины;

· обмен информацией, т.е. пересылку данных;

· буферизацию данных, т.е. поддержку временного хранилища данных, накапливающего получаемые данные перед их отправкой дальше по технологической цепочке;

· обнаружение ошибок.

Модуль состоит из узла большого интерфейса и нескольких узлов малого интерфейса. Узел большого интерфейса включает в себя узел управления вводом-выводом, регистр состояния, регистр управления, регистр данных вместе с узлом упаковки/распаковки данных, регистр управления и узел обработки адресов. Узел обработки адресов позволяет выбрать узел малого интерфейса, связанный с нужным периферийным устройством. По линии данных передаются собственно данные, состояния элементов системы ввода/вывода и команды ввода/вывода. По линии управления передаются сигналы управления модулем и внешними устройствами.

Рис. 5.2. Схема взаимодействия периферийного устройства
с модулем ввода-вывода и процессором.

Основными элементами внешнего устройства в общем случае являются устройство управления (логика управления), буферная память и преобразователь. Логика управления получает команды от модуля ввода-вывода, обменивается с ним сигналами состояния различных элементов периферийного устройства и модуля ввода-вывода, также осуществляет с ним обмен данными через буферную память. При выводе данных модуль поставляет данные в буферную память, периферийное устройство преобразует данные из формата, удобного для вычислительной машины в формат, удобный для окружающей среды, и выводит данные в окружающую среду, в которую входит и пользователь вычислительной машины.

В общем случае временная диаграмма обмена данными имеет вид, показанный на рис. 5.3. Процессор выставляет данные и устанавливает в единицу сигнал ДД (данные достоверны). Периферийное устройство, прияв этот сигнал, осуществляет чтение данных и после его завершения ставит в единицу сигнал ДП (данные приняты). Процессор, обнаружив единичный сигнал ДП, сбрасывает сигнал ДД в ноль и убирает данные с шины данных. Периферийное устройство в свою очередь, обнаружив нулевой сигнала ДД, сбрасывает в нуль сигнал ДП и начинает обрабатывать данные. При чтении данных из периферийного устройства процесс протекает аналогично, но сигнал ДД формирует периферийное устройство, а сигнал ДП – процессор.

Рис. 5.3. Временная диаграмма процесса обмена информацией
между процессором и периферийным устройством

Существуют три способа организации процесса ввода-вывода:

· ввод-вывод с опросом;

· ввод-вывод по прерываниям;

· прямой доступ к памяти.

Первый способ предусматривает пословный ввод/вывод данных, который осуществляется в цикле. Признаком завершения цикла является отсутствие данных для очередного шага цикла. Внутри основного цикла имеется вложенный цикл, в котором процессор периодически опрашивает регистр состояний модуля и выявляет моменты готовности модуля и устройства для осуществления обмена данными. Если они готовы, то происходит операция чтения/записи данных, если не готовы то продолжается процесс ожидания готовности модуля и периферийного устройства. Недостатком является плохое использование процессора, который длительное время может находиться в цикле ожидания и не выполнять полезной работы.

Второй способ связан с созданием устройствами ввода-вывода прерываний. При вводе и выводе данных процессор передаёт команду на начало операции ввода/вывода и продолжает свою работу по выполнению задач.

При вводе данных модуль ввода-вывода передаёт эту команду в устройство ввода, и начинается процесс по переписыванию данных из буферной памяти периферийного устройства в i-ый узел малого интерфейса, а затем в узел большого интерфейса. При заполнении регистра данных модуль ввода-вывода создаёт запрос на обслуживание прерывания, основная программа останавливается и начинается чтение данных из регистра данных модуля в оперативную память или в процессор.

Дата добавления: 2015-04-25