Лекции_Вычислительные машины_new. Лекция История развития вычислительной техники
 Скачать 5.16 Mb.
|
Устройства ввода/выводаОсновные типы устройств ввода/выводаКак правило периферийные устройства компьютеров делятся на устройства ввода, устройства вывода и внешние запоминающие устройства (осуществляющие как ввод данных в машину, так и вывод данных из компьютера). Основной обобщающей характеристикой устройств ввода/вывода может служить скорость передачи данных (максимальная скорость, с которой данные могут передаваться между устройством ввода/вывода и основной памятью или процессором). На рис. 9.3. представлены основные устройства ввода/вывода, применяемые в современных компьютерах, а также указаны примерные скорости обмена данными, обеспечиваемые этими устройствами.
Рис. 9.3. Примеры устройств ввода/вывода В рамках данного обзора мы рассмотрим наиболее быстрые из этих устройств: магнитные и магнитооптические диски, а также магнитные ленты. Накопители на гибких магнитных дисках Гибкие диски используются как долговременная сменная память компьютера. Конструктивно диски представляют собой тонкие пластинки диаметром 5.25 и 3.5 дюйма, изготовленные из лавсана, покрытые оксидом железа или сплавом кобальта (высокая плотность). Некоторые пластинки по краю внутреннего отверстия имеют кольцо жесткости, повышающее устойчивость диска к деформации при зажиме их внутри дисковода. Для защиты от пыли и касаний предметов пластинки помещают в пластмассовый чехол. В чехле диска на 5.25 имеются отверстия (рис. 4.1) для зажима механизма вращения диска (1) с кольцом жесткости (5), для контакта с магнитными головками (2), для фиксации начала дорожки (маркер) (3), для запрещения/разрешения записи (4). В диске на 3.5 чехол твердый, отверстие доступа к диску закрывает металлическая задвижка, предохраняющая пластину от повреждений.  Рис. 4.1. Гибкий диск В рабочем режиме диск вращается электромотором с постоянной скоростью 300 или 360 (высокая плотность) оборотов в минуту. К отверстию в чехле (2) с двух сторон подводятся магнитные головки, которые последовательно осуществляют запись (считывание) информации на дорожки пластины. Головки могут перемещаться внутрь или к краю пластины дискретно при помощи шагового двигателя, фиксируясь на определенных номерах дорожек. Способ записи информации как на гибкий, так и на жесткий диски можно пояснить с помощью рис. 4.2. Дорожка диска двигается относительно магнитной головки (МГ) по часовой стрелке (НД). Магнитный материал (ММ) на определенном участке около зазора намагничивается полем, создаваемым катушкой записи. Величина поля определяется током записи I. Ток выбирается таким образом (I = Im), чтобы на поверхности диска под зазором оставалась остаточная намагниченность (ориентация магнитных доменов NS), оптимальная для длительного хранения и воспроизведения. При смене направления тока с +Im на (-Im) в катушке записи изменяется ориентация доменов в магнитном материале. Очевидно, что максимальная продольная плотность записи (ВРI) определяется минимальным размером участка L, который может обрабатывать накопитель без искажений. Так 3.5 НГМД имеют BPI = 17500 (1.44 Мб), а 5.25 - BPI = 9800 (1.2 Мб). На рис. 4.2, а показан пример записываемой последовательности 01001..., где за направление +Im принята запись логической единицы, а за (-Im) – запись нуля. При считывании информации намагниченные участки диска оказываются под зазором головки и магнитные силовые линии замыкаются через сердечник катушки в определённом направлении. В момент смены направлений этих линий tсз (смена знака) в катушке считывания будет создаваться напряжение е считывания. Для повышения чувствительности головки считывания к наличию информации моменты подачи тока Im синхронизируют (меняют знак принудительно), устанавливая постоянные размеры L под каждый бит последовательности. А для получения высокой плотности записи BPI обрабатывают одновременно несколько битов входной последовательности и определенным образом ее перекодируют, размещая с учетом частоты синхронизации на тех же размерах дорожки более длинные входные последовательности закодированных нулей и единиц. Для перекодирования обычно используется метод ограничения длины "пробела" (RLL), в котором при кодировании оговаривается минимальное и максимальное количество битовых ячеек (без зон смены знака), которые можно расположить между двумя реально записанными зонами смены знака на диске. Дальнейшему увеличению плотности способствовала технология PRML, при которой аналоговый сигнал с головки считывания преобразуется в цифровую последовательность. Последовательность затем разбивается на наборы данных, которые анализируются и корректируются с наименьшей вероятностью ошибки. Способ увеличения плотности BPI за счет уменьшения размеров единичных ячеек с горизонтальной намагниченностью (рис 4.2, а) имеет ограничения, при которых резко увеличивается вероятность их спонтанного размагничивания. Новый способ увеличения плотности BPI, предложенный Fujitsu (рис 4.2, б), заключается в использовании дополнительного магнитного материала (ДММ) и вертикального намагничивания, он позволяет увеличить плотность записи в 8 раз.  а б Рис. 4.2. Схема записи/считывания информации на магнитный диск: а – фрагмент записываемой последовательности …01001…, б – схема вер-тикального намагничивания При любом способе записи нумерация дорожек начинается с края и сверху пластины от нулевой до тридцать девятой или семьдесят девятой. Ширина дорожки зависит от радиальной плотности записи ТРI и составляет 0.33 мм при 360 Кб (ТРI=48 дорожек на дюйм и 40 дорожек на одну сторону) или 0.16 мм для дисков 1.2 Мб при TPI = 96 и высокой плотности записи. НГМД 3.5" емкостью 1.44 Мб имеют TPI = 135. Каждая дорожка разбивается на секторы. Секторы нумеруются по порядку 1, 2, 3... начиная с нулевой дорожки от маркера, в сторону противоположную вращению пластины (рис. 4.1). Программа FORMAT.COM размечает диск на необходимую плотность, число секторов и дорожек. Эта же программа контролирует исправность секторов и заносит характеристики форматирования диска в FAT в начальные секторы. Режим форматирования и записи информации на диски с разной плотностью должен определяться типом дисковода и материалом покрытия пластины. Дискеты с обычным покрытием (SD) на 360 Кб и двойной плотности (DD) на 720 Кб используют режим напряженности магнитного поля для записи/стирания информации в области головки 300 эрстед, а дискеты с высокой плотностью (HD) – 600 эрстед. Причем дисководы с высокой плотностью на 1.2 Мб и 1.44 Мб используют другой способ записи – метод туннельного стирания, при котором запись осуществляется в виде полосок, а около них пространство размагничивается. Такой способ записи уменьшает влияние смежных дорожек друг на друга и позволяет увеличить поперечную плотность записи. Разный режим работы дисководов на 300 и 600 эрстед может способствовать ошибкам при форматировании, записи, хранении и чтении дискет. Основные характеристики накопителей на гибких дисках представлены в табл. 4.1. Все диски имеют 2 рабочие стороны, размер сектора 512 байт, 80 дорожек шириной 0.115, толщину магнитного слоя 1-2.5 мкм. Время доступа к данным в гибких дисководах зависит от способа вращения, записи и кодирования информации. Таблица 4.1
Накопители на гибких дисках постоянно совершенствуются. Из-за большей надежности и компактности дискеты на 3.5 вытеснили дискеты 5.25. Был разработан новый стандарт для дискет размером 3.5 емкостью 2.88 Мб. Эти гибкие дискеты с повышенной точностью позиционирования головок емкостью 2.88 Мб называют ED-дискетами (Extra High Density). BIOS должен поддерживать обмен с этим НГМД. Запоминающая пластина в ED диске изготавливается из магнитного слоя феррита бария с ДММ. Это позволяет использовать метод вертикальной записи, при котором магнитные домены оказываются ориентированными в вертикальной, а не в горизонтальной плоскости, чем достигается более высокая продольная плотность записи BPI. Сменные накопители на магнитных дисках Потребность перемещения больших объемов информации с одного ПК на другой и архивации данных привела к созданию мобильных внешних устройств хранения информации большого объёма. Благодаря развитию технологий и увеличению объемов информации на смену флоппи-диску пришли магнитные диски на сменных накопителях. На данный момент существуют несколько стандартов сменных накопителей на магнитных дисках. Первым сменным накопителем класса емкости до 1 Гб стал 3.5" диск Zip емкостью 94 Мб (затем 250 Мб) американской компании Iomega, выпущенный в 1995 г. Он вращался со скоростью 3 000 об/мин и имел время доступа около 30 мс. Принцип записи на магнитных дисках сменных накопителей отличается от флоппи-диска: - увеличенной плотностью записи на диск; - применением магниторезестивного эффекта; - позиционированием головок считывания. У сменного накопителя переносным является не только носитель информации, но и весь дисковод, который подключается к слоту в корпусе ПК. Одной из разновидностей сменных накопителей является LS-120 (LS – laser servo) фирмы Imation, использующий гибкие магнитные диски с емкостью дискет 120 Мб. В дисководе реализована так называемая флоптическая технология, которая осуществляет позиционирование головки чтения/записи на служебную дорожку с помощью лазера, а операции чтения и записи выполняются обычным магнитным способом. Эта технология позволила повысить плотность записи и получить большую емкость гибкой дискеты. В связи с этим появились такие накопители как SyQueat, Zip, Jaz, MO, ORB и др. Мобильный дисковод LS-120, помимо своих дискет емкостью 120 Мб, позволяет читать стандартные дискеты емкостью 1.44 Мб. Преимуществом дисковода LS-120 является высокая емкость дискеты (120 Мб) при достаточно низкой цене и высокая скорость чтения/записи (200 – 300 Кб/с) – в несколько раз выше, чем гибкого диска (0.06 Мб/с). Дисковод высокой плотности HiFD, разработанный фирмами Sony и Fujitsu, – съемный накопитель, подключаемый к параллельному порту, рассчитанный на использование дисков размером 200 Мб. HiFD также поддерживает формат дискет 1.44 Мб и обеспечивает скорость чтения до 3.6 Мб/с. Основные стандарты сменных накопителей на магнитных дисках емкостью свыше 1 Гб изготавливаются фирмами Iomega (накопитель Jazz 2 Гб) и Castlewood (накопитель Orb 2.2 Гб). В конструкции Jazz в качестве носителя используется жесткая дисковая пластина, а в Zip – гибкий диск. Емкость картриджа Zip составляет 100 Мб, Zip 250 Mb – 250 Мб, картриджей Jazz – 540 и 1070 Мб, а картриджа Jazz 2 Gb – 2 Гб. Накопитель на сменных дисках Orb имеет сменный жесткий диск размером 3.5, заключенный в картридж (магниторезистивные головки MR из особого магнитного материала). Он комплектуется сменными дисками емкостью 2.2 Гб. Скорость вращения диска ровна 5 400 об/мин. Максимальная скорость передачи данных может достигать 12.2 Мб/с (2 Мб/с у накопителя с интерфейсом LPT). Характеристики переносных магнитных накопителей приведены в табл. 4.2. Из таблицы видно, что время доступа к данным в них составляет менее 84 мс, они обладают значительной емкостью и позволяют архивировать данные или переносить их из одних ЭВМ в другие.
1.2. Накопители на магнитооптических дисках Магнитооптические (МО) накопители являются одними из самых старейших представителей устройств со сменным носителем информации. Современные МО сочетают в себе большую емкость, высокую долговечность и надежность, возможность переносить данные, а также делать копии программ и операционных систем. Производителем и фактически монополистом на рынке МО накопителей является фирма Fujitsu. Существуют 2 вида МО накопителей: 5.25 и 3.5 дюйма. МО диски 5.25 с двухсторонней записью изготавливаются емкостью 650 Мб, 1.3 Гб, 2.6 Гб и 4.6 Гб. МО диски односторонние 3.5 изготавливаются емкостью 128 Мб, 230 Мб, 540 Мб, 640 Мб и 1.3 Гб. Эти МО позволяют делать резервные копии не только с ПК, но и с небольших серверов. Наибольшее распространение получили современные МО накопители 3.5" емкостью 640 Мб и 1.3 Гб. MO накопитель объединяет в себе магнитные и лазерные технологии. Во время процесса записи интенсивный лазерный луч фокусируется на диске, покрытом особым кристаллическим сплавом, который может сохранять магнитное поле. После нагревания сплава до критической температуры 145ОС (точка Кюри) [14] кристаллы сплава становятся свободными и перемещаются под воздействием пишущей головки, которая изменяет намагниченность кристаллов сплава. Величина вертикальной намагниченности участка около 0.5 кв. микрона (участок намагничен – логическая "1") позволяет изменять направление поляризации (эффект Керра) или не изменять характеристики чтения отраженного маломощного лазерного луча (участок размагничен – логическая "0"). В процессе чтения/записи головки не соприкасаются с поверхностью носителя, что способствует надежности МО. К недостаткам МО накопителей следует отнести низкую скорость записи данных (из-за медленной скорости нагрева участков для записи), а также несовместимость с флоппи-дисководом. Характеристики МО накопителей MCD3130SS Fujitsu3.5" и Т6-5200 Maxoptix 5.25" представлены в табл. 4.2. 2. Накопители на жестких магнитных дисках Накопители на жестких магнитных дисках типа "винчестер" предназначены для долговременного хранения информации в составе компьютера. Название «винчестер» НЖМД получил в 1973 г., когда фирма IBM изготовила герметичный пакет из двух заменяемых дисков по 30 Мб каждый. Цифры 30 / 30 ассоциировались у пользователей с калибром популярной в США двустволки «Винчестер 30 / 30». В 1983 г. ЭВМ PC XT стали комплектоваться несъемными винчестерами емкостью 10 Мб со средним временем доступа 100 мс. Магнитный накопитель из алюминиевого сплава или стеклянных пластин диаметром 3.5 или 2.5 толщиной 0.125 дюйма. На пластины методом напыления наносится несколько тонких слоев магнитных и немагнитных материалов, способных намагничиваться на малых участках поверхности. Пластины крепятся на оси небольшого шпиндельного бесшумного двигателя (Д), который вращается с постоянной скоростью (рис. 4.3). Из-за ограничения на размер и вес НЖМД, используемого в составе персонального компьютера, число пластин ограничено и в настоящее время не превышает 12. Наиболее часто число пластин равно от двух до четырёх (головок от 4 до 8), а наружные диски иногда имеют только по одной внутренней рабочей поверхности. Обычно диски имеют нижнюю и верхнюю рабочие поверхности. К каждой рабочей поверхности подводятся одна головка чтения/записи (Г1, ..., Гn). Головки изготовляются по тонкопленочной технологии и представляют собой специальные полупроводниковые кристаллы с U-образным зазором, обращенным к пластине. U-образная форма используется для создания подъемной силы, возникающей за счет движения воздуха при вращении дисков. Головка парит над поверхностью с зазором, исчисляемым микронами.  Рис. 4.3. Схема НЖМД В настоящее время в накопителях более 1 Гб используются магниторезистивные головки (MR), которые имеют в составе тонкопленочную головку (TF) для записи и магниторезистивную для считывания. TF представляют собой микрокатушки из нескольких витков на печатной миниатюрной плате. Внутри катушки располагается сердечник из сплава никеля и железа с высокой индукцией. Зазор в сердечнике путем напыления заполняется немагнитным алюминием и защищается от повреждений при контактах с диском. Чтобы исключить порчу пластин от попадания частиц в область зазора между головкой и рабочей поверхностью, диски размещают в герметичном корпусе, заполненном инертным газом. Легкость головки и малый зазор между диском и головкой (около 15 нм) позволяют намагничивать дорожку вглубь поверхности диска, обеспечивая надежность записи/считывания и хранения информации. Вторая часть головки MR представляет собой головку считывания, в основе которой используется датчик-резистор, меняющий свое сопротивление в зависимости от величины магнитного поля. Через резистор протекает постоянный измерительный ток, который изменяется от напряженности магнитного поля в моменты tсз при движении вдоль дорожки. Для уменьшения помех от соседних дорожек, резистор приподнимают над дорожкой. Установка головок на заданную i-ю дорожку (цилиндр диаметром di для всех пластин) выполняется катушкой-соленоидом (К), перемещающей приводную ручку (Р), как показано на рис. 4.3. Для перемещения головок на необходимую дорожку в автоматическую следящую систему (СУ) подается сигнал Ei, который сравнивается с сигналом х, поступающим со специальной головки (Гс) или контакта переменного сопротивления R. При наличии разницы в сравниваемых сигналах СУ перемещает шток (Ш) соленоида в сторону требуемого диаметра di. При отключении питания винчестер автоматически паркуется пружиной (П) перемещая головки во внутреннюю область диска, как правило, на последнюю дорожку. Число дорожек определяется типом накопителя и для жестких дисков их число составляет несколько тысяч. Малый зазор между головкой и поверхностью диска позволяет достичь высокой радиальной и линейной плотности записи (100 Гбит/кв.дюйм) и увеличить емкость НЖМД до нескольких десятков и даже сотен Гб. Основными параметрами винчестера являются емкость (Ё), скорость обмена (Vпр) и время доступа к данным (tср). Емкость любого накопителя прямо пропорциональна величине форм - фактора (размера). Форм - фактор указывает на сечение отсека для НЖМД. Если он равен 3.5 1, то это соответствует отсеку 4 1 6 дюймов, используемому для одного 3.5 винчестера. Чем больше размеры дисков и их число в пакете, тем больше емкость. Однако с увеличением диаметра пластин на разных дорожках существенно изменяется скорость движения диска относительно головок, увеличивается время перемещения головок с внутренней дорожки на внешнюю и среднее время доступа. Эти параметры ограничивают изготовление дисков больших размеров, чем 3.5. Поэтому увеличение емкости диска постоянно происходит за счет увеличения TPI, BPI и способов кодирования – декодирования информации. К тому же, увеличение плотности записи позволяет увеличить скорость считывания данных при той же скорости вращения диска. Так, фирма Fujutsu в новой модели 3.5 НЖМД достигла плотности 10.2 Гб на одной 3.5 пластине с головками MR и каналом PRML. Эта фирма выпускает бесшумные НЖМД с использованием подшипников с жидким трением. Другие фирмы изготавливают пластины с плотностью записи на пластину 20 Гб и более. Скорость обмена характеризуется двумя параметрами: скоростью передачи между НЖМД и ОЗУ и быстродействием передачи между буфером винчестера и поверхностного диска Vд. Скорость передачи (transfer rate) между НЖМД и ОЗУ измеряется величиной Vпр (Мб/с) как отношение величины пересылаемого массива к времени, затраченному на его пересылку. Она определяется, в основном, типом интерфейса. 2.1. Режимы передачи данных Для передачи данных между винчестером и памятью PC используются два режима: - режим программного ввода/вывода PIO; - режим прямого доступа к памяти DMA. В режиме PIO информации с кэш-буфера (ОЗУ винчестера) жесткого диска сначала считывается центральным процессором и только потом записывается в основную оперативную память. В зависимости от длительности цикла считывания и количества секторов, передаваемых за одно обращение к диску, различают режимы PIO0 (PIO Mode 0), PIO1, PIO2, PIO3, PIO4, PIO5. Характеристики режимов PIO приведены в табл. 4.3.
В режиме PIO за одно обращение к НЖМД обычно передается содержимое одного сектора (512 байт), а в режиме PIO 4 – 16 (или больше) секторов. Это способствует увеличению скорости передачи данных с 3.3 Мб в режиме PIO 0 до 20 Мб/с в режиме PIO 5 с использованием интерфейсов IDE или EIDE. Однако режим PIO традиционно используются в однозадачных операционных системах. В многозадачных операционных системах чаще используются режимы прямого доступа к оперативной памяти DMA. Ввод/вывод данных в этом режиме осуществляется в ОЗУ ПК, минуя МП. Обмен происходит под управлением контроллера НЖМД в паузах между обращениями МП к ОЗУ, что занижает скорость обмена, но освобождает МП от операции передачи данных между ОЗУ и НЖМД. Для режимов DMA используются специальные контроллеры и драйверы. Режимы DMA подразделяются на однословные DMA 0,1,2 (Singleword) и многословные DMA 33,100 (Multiword) в зависимости от количества слов, передаваемых за один цикл работы с системной шиной. Характеристики ранних способов реализации DMA представлены в табл. 4.4.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||