Лекции_Вычислительные машины_new. Лекция История развития вычислительной техники
 Скачать 5.16 Mb.
|
|
Для обеспечения большей производительности DMA в начале был разработан и внедрен режим Ultra DMA/33. Интерфейс Ultra АТА/33 (Ultra DMA/33 и АТА-33), предложенный компанией Quantum, обеспечивает передачу данных в режиме Multiword DMA со скоростью 33 Мб/с. В отличие от режима DMA 2, в режиме Ultra АТА/33 (рис. 4.4.) передача данных осуществляется по переднему и заднему фронтам тактового сигнала (ТИ). Это позволяет в 2 раза увеличить скорость передачи без увеличения тактовой частоты системной шины. Стандарт Ultra DMA/33 отличается от предыдущих версий IDE не только скоростью обмена. Впервые в нем используется механизм обнаружения ошибок с помощью циклического контрольного кода. С появлением процессоров Pentium контроллеры EIDE обеспечивают функцию управления шиной (Bus Master). Это связано с тем, что в многозадачных операционных системах для повышения быстродействия вычислений МП освобождается от ввода/вывода данных между ОЗУ и НЖМД. Поэтому контроллеры внешних устройств (EIDE в том числе) стали оборудоваться собственными микропроцессорами ввода/вывода. В этом случае МП выдает команду контроллеру EIDE, которая указывает ему, откуда он должен взять данные и в какую область памяти их поместить. После получения этих указаний контроллер захватывает управление системной шиной (PCI) и выполняет операции по считыванию данных с накопителей информации (например, с винчестера, приводов CD-ROM, CD-R, CD-RW) непосредственно в ОЗУ с помощью канала DMA. Однако выигрыш в производительности ПК при использовании функции Bus Master будет значителен лишь при одновременной работе нескольких приложений. Функцию Bus Master поддерживают практически все современные чипсеты.  данные 1 данные 2 данные 3 данные 4 (дан. 1, дан. 2) Рис. 4.4. Принцип передачи данных в интерфейсах АТА и Ultra ATA/33 Лекция 16: Интерфейсыустройств ввода-вывода IDE. В качестве интерфейса винчестера с системной шиной на системной плате давно используются IDE (ATA), EIDE (Fast ATA, ATA-2, ATA-3) и SCSI. Первый IDE интерфейс компаний Compaq и Western Digital, интегрированный в плате винчестера для 8/16 - разрядных шин ISA для ЭВМ типа AT, названный IDE ATA и выпущенный в 1986 г., был стандартизирован в 1990 г. для обслуживания двух НЖМД. Интерфейс IDЕ очень быстро завоевал популярность среди производителей и пользователей ПК. При этом стоимость винчестера увеличилась незначительно, а винчестер стал подключаться непосредственно к слоту на системной плате, представляющему собой усеченный слот шины ISA, или к плате адаптера. Ранее на плате адаптера был интегрирован контроллер НГМД, а также располагались параллельные и/или последовательные интерфейсы и игровой порт. В новых системных платах все эти компоненты интегрированы непосредственно в один из СБИС чипсета. Важнейшей идеей в создании IDE является сборка основных частей платы контроллера в самом НЖМД и обеспечение совместимости его с любыми системными платами. Он рассчитан на единовременную обработку одной процедуры программного ввода/вывода в режимах PIO - 0, PIO - 1, PIO - 2. В формате CHS предел емкости НЖМД с IDE определяется произведением Ё max = C H S (цилиндры х головки х сектора) Ё max = 65 536 16 255 512 (байт) = 139.9 Гб. Однако стандарт BIOS системных плат совсем недавно поддерживал лишь Ё max = C H S = 1024 255 63 512 (байт) = 8.4 Гб. Учет совместных ограничений IDE и BIOS на величины С, H, S ограничивал максимальную емкость НЖМД без соответствующего программного обеспечения величиной, равной Ё max = 1024 16 63 512 (байт) = 504 Мб. Емкости НЖМД 504 Мб уже в ЭВМ с i486 стало недостаточно, поэтому IDE АТА был усовершенствован. Новый стандарт EIDE позволяет расширить предел максимальной емкости НЖМД. EIDE (Fast ATA) (торговое название фирмы Western Digital) PIO-3 и MultiWord DMA1 с передачей нескольких слов в режиме прямого доступа к памяти ОЗУ. Усовершенствованный Fast ATA2 поддерживает режимы: PIO-4 и MultiWord DMA 2. Новый, с измененной BIOS, стандарт EIDE через контроллер EIDE может удваивать/учетверять число головок с пропорциональным уменьшением числа цилиндров. Это позволяет расширить предел максимальной емкости НЖМД до 8.4 Гб и более за счет реализации режима логического адреса LBA, когда ФА < C, H, S > преобразуется в 28 разрядный логический адрес < C *, H *, S * >. Однако при использовании FAT возникает проблема, ограничивающая емкость диска. Она заключается в том, что с увеличением емкости диска увеличивается минимальный размер кластера (число секторов обмена и наименьшая емкость записи) с 8 Кб (для НЖМД до 504 Мб) до 64 Кб с дисками большой емкости. При малых размерах файлов эти кластеры заполняются не полностью. Память используется неэффективно. Число подключенных устройств к EIDE может достигать четырех, в том числе CD - ROM или стримеры. Новые режимы EIDE позволяют за 1 обмен считать данные, содержащие сразу несколько (2, 4, 8, 16 и более) стандартных 512 - байтных секторов (Multiple). А новый интерфейс IDE (ATA - 3) поддерживает стандарт Ultra DMA и позволяет увеличить быстродействие обмена Ultra DMA винчестеров с ОЗУ через контроллер Ultra DMA системной платы. В режиме Ultra быстродействие обмена соответствует: DMA 0 – 16.6 Мб/с; DMA 1 – 24.9 Мб/с; DMA 2 (DMA 33) – 33.3 Мб/с; Ultra ATA/66 – 66.6 Мб/с; Ultra ATA/100 – 100 Мб/с. Новый последовательный 4-жильный интерфейс Serial ATA-1,6 с быстродействием обмена (3 или 6) Гб/с разрабатывается для дальнейшего увеличения быстродействия ЭВМ и совместимости с параллельным интерфейсом IDE. SCSI был спроектирован для повышения быстродействия обмена внешних устройств с системной шиной и числа подключаемых периферийных устройств для многозадачных и многопользовательских операционных систем. Он подсоединяется через главный адаптер к PCI и имеет 8/16 - битную шину данных. К шине SCSI подсоединяются устройства, которым устанавливаются номера ID = 0, 1, ..., 7. Номера ID позволяют устройствам осуществлять обмен по ШД без участия МП с использованием форматов и команд SCSI. Интерфейс SCSI поддерживает Ёmax = 8.4 Гб. Путем увеличения быстродействия обмена (“fast” – быстрый) и разрядности шины расширения (“wide” – многоразрядный) он имеет следующие модификации [14]: - SCSI-1 – 8 бит / до 5 Мб/с; - Fast SCSI (SCSI - 2) – 8 бит / до 10 Мб/с; - Ultra SCSI – 8 бит / до 20 Мб/с; - Fast Wide SCSI – 16 бит / до 20 Мб/с; - Ultra Wide SCSI (SCSI - 3) – 16 бит / до 40 Мб/с; - Ultra 160 SCSI – 160 Мб/с; - Ultra 320 SCSI – 320 Мб/с. Практически во всех модификациях в SCSI устанавливается мультисегментный кэш-буфер с емкостью более 512 Кб для одновременного обслуживания нескольких конкурирующих процессов ввода/вывода. Интерфейс SCSI имеет некоторые преимущества перед интерфейсом АТА: - возможность подключения до 27 устройств (например, Ultra SCSI-III); - возможность подключать внутренние и внешние устройства; - диски SCSI-винчестеров вращаются с повышенной скоростью 7200, 10000 или 15 000 об/мин, и время доступа к ним составляет меньше 5 – 7 мс; - длина 50-жильного плоского кабеля SCSI может достигать 6 м. Имея в своём составе более качественное оборудование, SCSI стоит в 1,5 раза дороже ATA и применяется чаще всего в серверах. 2.3. Интерлив В современных винчестерах параметр интерлив (количество оборотов диска для чтения всей дорожки), или как его еще называют Interleave-фактор (рис. 4.5), не оказывает существенного влияния на быстродействие обмена при наличии достаточной емкости памяти кэш-буфера. Однако рассмотрение этого параметра позволяет описать принцип обмена винчестера секторами с кэш-буфером. При вращении диска головка считывает 512-байтный сектор и посылает данные в буферный регистр контроллера, откуда данные передаются процессору. Диск продолжает вращаться, головка считывания переходит к следующему сектору, но контроллер при ограниченном объеме кэш-буфера все еще занят обменом данными с процессором. Поэтому для того чтобы прочитать следующий сектор при освобождении контроллера головка должна ожидать полного оборота диска или пропустить часть секторов. При чтении всего кластера, который располагается в соседних секторах, секторы считываются подряд, без задержки. Если емкость буфера мала и необходима передача данных в ОЗУ, то часть секторов пропускается до момента освобождения буфера. Так, в режиме 3:1 (рис. 4.5, б) пропускается два сектора.  а б Рис. 4.5. Размещение кластеров при режиме обмена 1:1 и 3:1 Диски более ранних выпусков организованы так, что сектора файла данных располагаются на дорожке диска не друг за другом, а в другом порядке, учитывающем интерлив и способность обмена с МП с поворотом НЖМД. При этом при позиционировании головки контроллер имеет достаточно времени для передачи информации без лишнего оборота диска. При освобождении контроллера он обращается к соответствующему сектору. Современные контроллеры работают по другому принципу: для организации непрерывного чтения секторов данные считываются из нескольких секторов ("с подозрением" на их необходимость) и запоминаются в кэш-буфере, откуда впоследствии они могут быть извлечены. Преимущество такого способа заключается в том, что контроллер помещается в дисковод, в котором механика и электроника работают оптимальным образом. На быстродействие передачи данных Vд между буфером винчестера и поверхностностью диска, кроме времени поиска нужной дорожки tcр, существенно влияет: скорость вращения пластин Vв; число физических секторов S на дорожке; способ их чередования (интерлив); размер кэш - буфера; тип данных (последовательные, фрагментированные) и режим обмена. Поэтому скорость Vд обмена между буфером винчестера и поверхностностью диска у наилучших моделей обычно не превышает 10 Мб/c. Если дорожка уже позиционирована, то скорость обмена определяется в основном двумя величинами: временем поиска сектора (равно половине периода Т вращения пластины) и скоростью считывания секторов. С учётом этих величин Vд приблизительно определяется по формуле: Vд = 0.5 S 512 / (T I) (Кб/с), где S - число физических секторов (S = 80 - 160 и зависит от номера дорожки); Т = 1 / Vв – период вращения (при Vв = 7 200 об/мин T 8 мс); I – интерлив, количество оборотов диска для чтения всей дорожки (у лучших НЖМД I = 1). Подставляя лучшие параметры дисков, получаем Vд 160 0,5 512 / 8 1024 = 5 Мб/с. При учёте времени поиска нужной дорожки tc скорость обмена между кэш-буфером винчестера и поверхностностью диска Vд будет меньше и будет определяться способом заполнения пластин. Пластины могут заполняться последовательно (сначала один диск, затем другой и т. д.) или в режиме заполнения дорожками, когда сначала заполняются все крайние внешние дорожки у всех пластин, затем запись смещается к центру. Режим заполнения дорожками встречается чаще, и поэтому незаполненные информацией НЖМД обладают большим быстродействием, чем заполненные, т. к. информация на внутренних дорожках читается медленнее, и количество секторов на дорожках неодинаково – на внутренних цилиндрах их меньше, чем на внешних. 2.4. Характеристики НЖМД Типичная блок – схема управления НЖМД, размещаемая на печатной плате винчестера [21] представлена на рис. 4.6. Любой винчестер IDE или SCSI имеет пакет магнитных дисков, блок магнитно-резистивных головок, систему позиционирования, канал считывания записи, сепаратор данных и микроконтроллер. Сепаратор данных выделяет из входного считываемого сигнала импульсы синхронизации и данные. Микроконтроллер по специальным адресным меткам распознает поля идентификации и данных сектора. В поле идентификатора находится закодированная информация об адресе сектора < C, H, S >. МП устанавливает правильность позиционирования головок и выполняет микрооперации записи/считывания следующим образом. Цифровая система УУ НЖМД воспринимает команды с системной шины от центрального процессора через микроконтроллер обмена диска с шиной SCSI и включает буфер секторов для временного хранения данных, участвующих в обмене. МП УУ накопителя принимает поступающий с системной шины логический адрес < C *, H *, S * >, преобразует его в физический адрес < С, H, S >, и, через МП и контроллер управления двигателем и приводом головок, позиционируют соответствующий цилиндр С. Для чего величина, определяющая место < C > цилиндра на пластине Ei, сравнивается с сигналом положения приводной ручки х (см. рис. 4.3). При наличии отличной от нуля разницы Ei - х из СУ поступает сигнал, который усиливает и возбуждает ток в соленоиде К, перемещая привод головки вглубь или на край диска в зависимости от знака величины рассогласования. Перемещаясь, приводная ручка уменьшает величину Ei - х до нуля и МП НЖМД по положению маркера (по коду поля идентификации) подключает требуемую головку к сектору < S > и каналу записи/считывания, включающего шифратор для записи или импульсный детектор и дешифратор (DC) в режиме считывания.  Рис. 4.6. Схема управления НЖМД Характеристики некоторых 3.5-дюймовых НЖМД представлены в табл. 4.5. Из таблицы видно, что скорость вращения Vв дисков увеличилась. В старых винчестерах она была равна 3 600 об/мин, теперь она чаще всего равна 7 200 об/мин. Только в дорогих НЖМД с SCSI интерфейсом она равна 15 000 об/мин. Высокие скорости вращения диска (7 200 об/мин) и перемещения микроскопических головок позволяют получить в лучших конструкциях НЖМД среднее время доступа к информации около 8 мс. Время поиска нужной дорожки зависит от исходного положения головки и является наименьшим, если головка находится на соседней дорожке (track to track seek) tcд. Величина tcд для лучших НЖМД равна 1 – 3 мс. Если поиск ведется случайным образом с равновероятным переходом на любую дорожку, можно говорить о среднем времени доступа (average seek) tcр. Существенно увеличилась у новых моделей НЖМД емкость до 20 Гб и более. Все НЖМД для ускорения доступа к данным оснащаются кэш-буфером емкостью 2 Мб и часто 8 Мб. Для повышения надежности НЖМД применяется система диагностики и оповещения отказов S.M.A.R.T. и специальные способы обнаружения сбоев и коррекции.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||