Лекции_Вычислительные машины_new. Лекция История развития вычислительной техники
 Скачать 5.16 Mb.
|
|
Технология S.M.A.R.T. была разработана с участием крупнейших производителей винчестеров. Для анализа надежности жесткого диска используются две группы параметров: параметры естественного старения диска и текущие параметры. К параметрам первой группы относятся: - количество оборотов двигателя за время работы; - количество перемещений головок чтения/записи за время работы. К параметрам второй группы относятся, например, такие: - расстояние между головкой чтения/записи и рабочей поверхностью; - скорость обмена данными между дисками и кэш-памятью винчестера; - количество переназначенных поврежденных (bad) секторов; - скорость поиска данных на диске. Вся информация S.M.A.R.T. записывается на специальных дорожках. Существует три версии (I, II, III) технологии S.M.A.R.T. В S.M.A.R.T. III осуществляется предсказание ошибок, осуществляется сканирование поверхности и в дополнение к I, II предыдущим версиям определяет и восстанавливает проблемные сектора. BIOS позволяет пользователю управлять режимом работы S.M.A.R.T. с выдачей сообщений о состоянии НЖМД. При этом средняя наработка на отказ винчестера MTBF, как средне статистическое время между сбоями, равна 500 тыс. часов (при 40 - 50 тыс. циклов включения/выключения), что на порядок выше других компонент ЭВМ. IBM, Fujitsu, Quantum и другие фирмы в НЖМД используют для повышения плотности записи и надежности вместо алюминиевых стеклянные и кремниевые пластины из-за их большей жесткости и чистоты. Это также способствует уменьшению их веса. Также многие компании, например, IBM, стремятся уменьшить размеры пластин (чем меньше пластина, тем меньше вибрация) вводя новые 27-миллимитровые стандарты. Прогнозы компаний: увеличение плотности записи информации скоро составят 300 Гбит на кв. дюйм. Продолжается поиск альтернативы магнитным дискам. Среди таких инноваций – органические магнитные пленки и структуры с нанесенными ячейками. Производители полагают, что новые технологии потеснят магнитные носители. Основными недостатками магнитных дисков являются: старение материалов подложки, ограничивающее срок службы до 5 лет; потеря данных от воздействия случайных электромагнитных полей; размагничивание в процессе хранения; чувствительность к ударам и тряске. Лекция 17: Оптические накопители В 1972 г. компания Phllips продемонстрировала систему Video Long Play. В ней был использован для записи данных принцип "засечек". Он стал началом развития CD-, а в дальнейшем и DVD-технологий. Первый стандарт оптических накопителей CD-ROM, включающий систему записи на компакт-диск произвольных цифровых данных, разработан в 1984 г. фирмами Philips и Sony. Массово компакт-диск постоянной памяти СD-RОМ выпускается с 1988 г. как накопитель информации емкостью 650 Мб. Эта информация соответствует примерно 330 000 страницам текста или 74 минутам высококачественного звучания. На данный момент существует несколько стандартов CD-ROM – это AAD, DDD, ADD. Буквы этой аббревиатуры отражают формы звукового сигнала, использованные при создании диска: первая – при исходной записи, вторая – при обработке и сведении, третья – конечный мастер-сигнал, с которого формируется диск. "A" обозначает аналоговую (Analog) форму, "D" – цифровую (Digital). Мастер-сигнал для CD всегда существует только в цифровой форме, поэтому третья буква аббревиатуры всегда "D". При записи и обработке сигнала в аналоговой форме сохраняются высшие гармоники, но возрастает уровень шума. При обработке в цифровой форме высшие гармоники принудительно обрезаются на половине частоты дискретизации. Компакт - диски CD-ROM изготавливаются толщиной 1.2 мм с внешним диаметром 12 см, с внутренним отверстием 15 мм из полимерного материала, который покрыт с нижней стороны пленкой из сплава алюминия (рис. 4.7.). Эта пленка является носителем информации, которая после записи защищается дополнительным слоем лака. Верхний слой является нерабочим, и на него наносятся этикетки и надписи.  Рис. 4.7. Информационный слой на CD-ROM Изготовление дисков происходит в несколько стадий, включающих: - запись выжиганием лазерным лучом штрихов ("засечка", пит) в течение более 1.5 часов на мастер-диск; - получение с мастер-диска копий матриц из твердого металла; - изготовление копии рабочих дисков путем оттиска (штамповки) матрицами. В результате оттиска на поверхности диска остается спиральная дорожка шириной 0.6 мкм с расстоянием между витками 1.6 мкм с углублениями в виде штриха 0.12 мкм с ТРI = 16 000. Дорожка начинается вблизи центрального отверстия и оканчивается в 5 мм от внешнего края. Длина спирали достигает 5 км. Принцип работы накопителя CD-ROM [21] можно упрощенно пояснить с помощью рис. 4.8. Диск вращается двигателем (D1), система управления которого обеспечивает постоянную скорость перемещения дорожки относительно считывающего устройства на любом внутреннем или внешнем витке спирали. При этом скорость считывания данных для формирования звука строго постоянна и равна 75 блокам в секунду (150 Кб/с). В каждом блоке записано 2 352 байта. Из них 2 048 полезных и 288 контрольных, которые используются для восстановления данных ("провалов" из-за царапин, сора) длиной до 1 000 бит, 16 для синхронизации. Контрольные биты позволяют избежать ошибок с вероятностью 10-25. Двигатель положения (D2) предназначен для перемещения подвижной каретки (ПК) с зеркалом и фокусирующей линзой к нужному витку спиральной дорожки по командам встроенного микропроцессора.  Рис. 4.8. Принцип работы накопителя CD-ROM Полупроводниковый лазер (ППЛ) излучает инфракрасный луч с длиной волны в 4 раза превышающей глубину штриха. Этот луч проходит через разделительную призму (РП), отражаясь от зеркала (3). Затем через фокусирующую линзу (ФЛ1) он точно направляется на дорожку и отражается от нее с разной интенсивностью в зависимости от штриха или плато. Поскольку диаметр светового пятна, формируемого на дорожке лазерным лучом, больше, чем размер штриха, при одновременном отражении луча от дна штриха и основной поверхности между отраженными волнами возникает гасящая интерференция, интенсивность отраженного луча уменьшается. При отсутствии штриха световое пятно отражается одинаково, интерференция не происходит, интенсивность отраженного луча сохраняется. Отраженный от дорожки луч воспринимается фокусирующей линзой (ФЛ1) и через РП и фокусирующую линзу (ФЛ2) воспринимается фотодатчиком (ФД), который преобразует оптические сигналы в электрические. Электрический сигнал, снимаемый с ФД при просмотре штриха в CD, принимается за логическую единицу. Электрические сигналы передаются затем в звуковую плату или в ОЗУ. При передаче в звуковую плату (карту) цифровые последовательности преобразуются в аналоговые сигналы, усиливаются и могут быть прослушаны через наушники или динамики. Если сигналы с диска представляют собой массивы цифровых данных для компьютера, то они преобразуются в параллельный двоичный код встроенным микропроцессором, который затем может их передать в сегменты ОЗУ ЭВМ. В отличие от звуковых записей, передаваемых в звуковую плату синхронно, цифровые данные с CD могут быть считаны в ОЗУ с увеличенной 4, 6, 8, 10 раз скоростью. Накопитель и CD-ROM, имеющие такие скорости, называют 4 – 10 скоростными. Они считывают данные и передают их в системную шину со скоростью 600, 900, 1200, 1500 Кб/с и имеют лучшее среднее время доступа к блокам диска около 100 мс. На скорости свыше 5 000-6 000 об/мин надежное считывание становится практически невозможным, поэтому последние модели 12- и более скоростных CD-ROM при чтении данных работают в режиме CAV (постоянная угловая скорость), вращая диск с максимально возможной скоростью. В этом режиме скорость поступления данных с диска меняется в зависимости от положения головки, увеличиваясь от начала к концу диска. Указанная в паспорте скорость (например, 24x) достигается только на внешних участках диска, а на внутренних она падает примерно до 1200-1500 Кб/с. В дисководах со скоростями 20 и 24 быстродействие зависит от места считывания информации с компакт - диска и их средняя скорость соответствует около х14 при поддержке BIOS режима PIO-4. 3.1. Перезаписываемые оптические накопители Кроме CD-ROM все более широкое применение находят стандарты CD-R (Recordable - записываемый) и CD-RW (ReWritable - перезаписываемый). Для однократной записи CD-R используются так называемые "болванки", представляющие собой обычный компакт-диск, в котором отражающий слой выполнен преимущественно из золотой или серебряной пленки. Между ним и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала (красителя), темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные "засечкам". Перезаписываемые диски CD-RW имеют семислойную структуру, отличающуюся от дисков CD-R, которые содержат пять слоев, как показано на рис. 4.9. В CD-RW используется промежуточный слой из металлопластика, изменяющий под воздействием луча свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое и обратно. В результате чего меняется прозрачность слоя. Фиксация изменений состояния происходит благодаря тому, что материал регистрирующего слоя при нагреве свыше критической температуры переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания, а при нагреве до температуры значительно ниже критической восстанавливает кристаллическое состояние. Такие диски выдерживают от тысяч до десятков тысяч циклов перезаписи. Однако их отражающая способность существенно ниже однократных CD, что затрудняет их считывание в обычных приводах. Для чтения CD-RW необходим привод с автоматической регулировкой усиления фотоприемника (Auto Gain Control), хотя некоторые обычные приводы CD-ROM и бытовые проигрыватели способны читать их наравне с обычными дисками. Способность привода читать CD-RW носит название Multiread. Перезаписываемый диск может иметь такую же структуру и файловую систему, что и CD-R, либо на нем может быть организована специальная файловая система UDF, позволяющая динамически создавать и уничтожать отдельные файлы на диске.  , Рис.4.9. Структура записи на CD-R и CD-RW 3.2. Цифровой универсальный диск Стандарт для DVD был разработан в 1995 г. совместно несколькими компаниями (Hitachi, JVC, Philips и др.). На DVD-диски можно записывать не только видео, но и аудио и любые другие данные, поэтому он чаще применятся как цифровой универсальный диск (Versatile). Главное отличие DVD-дисков от CD-дисков – разница в объёмах информации. Ёмкость DVD увеличена несколькими способами: - во-первых, для чтения DVD-дисков используется лазер с меньшей длиной волны, чем для чтения CD-дисков, что позволило существенно увеличить плотность записи; - во-вторых, стандартом предусмотрены двухслойные диски, для которых на одной стороне записываются данные в два слоя. При этом один слой полупрозрачный, что позволяет осуществлять чтение "сквозь" первый слой. С повышением плотности записи и уменьшением длины волны считывающего лазера изменилось требование к толщине защитного пластмассового слоя, для DVD-дисков он составляет всего 0.6 мм в отличие от 1,2 мм, используемых в CD-дисках. Однако что бы сохранить привычные размеры диска и избежать излишней хрупкости DVD-дисков, они заливаются пластиком с двух сторон, чтобы итоговая толщина диска составила те же 1,2 мм. Это позволило записывать данные на обе стороны DVD-дисков и таким образом удваивать их ёмкость. Основные виды DVD дисков следующие [18]: - DVD-5 (4.7 Гб) с записью данных одним слоем на одной стороне; - DVD-9 (8.5 Гб) с записью данных в два слоя на одной стороне; - DVD-10 (9.4 Гб) с записью данных на двух сторонах по одному слою; - DVD-14 (13.24 Гб) с записью данных в два слоя на одной стороне, один слой на другой; - DVD-18 (17 Гб) с записью данных на двух сторонах по два слоя. Характеристики оптических дисков фирмы Samsung представлены в табл. 4.6. Поскольку DVD-диск часто используют для передачи графики, мультимедиа и просмотра видеофильмов, то для качественного воспроизведения картинок (720х576 точек глубиной цвета 24 бит, в европейском стандарте PAL) требуется скорость передачи данных 30 Мб/с, а для просмотра фильма нужна емкость диска около 100 Гб. С целью снижения требований к скорости передачи данных (Vпр) и увеличения объема данных используется алгоритм сжатия MPEG-2. Это позволяет снизить скорость потока данных до 3 – 4 Мб/с. При сжатии удаляется уменьшить до 97 % избыточной информации практически без ущерба для качества картинки. Чтобы восстановить считанные с DVD-диска данные, информацию необходимо декодировать, т.е. восстановить избыточную информацию, удаленную при сжатии. Это можно сделать либо программно без применения специализированных аппаратных средств, либо с использованием аппаратного DVD-декодера. Для DVD-дисков, также как и для CD дисков, существуют форматы перезаписи – это DVD-RAM и DVD+RW емкостью до 2,6 Гб и до 3 Гб соответственно, но оба этих формата несовместимы между собой. Принцип перезаписи у них такой же, как и у CD технологий, но запись ведется по слоям и плотность на диске более высокая. В настоящее время для CD и DVD накопителей применяется несколько интерфейсов, это EIDE, ATAPI, SCSI, а также USB.
3.3. Оптические накопители нового поколения В накопителях нового поколения, так называемых флюоресцентных дисках (FM-диски), используется принцип "фотохромизма". Это явление проявляется в органическом материале, содержащем частицы фотохрома, которые под воздействием лазерного луча определенной длины волны испускают флюоресцентное свечение. Изначально фотохром не обладает флуоресцентными свойствами. Запись осуществляется под воздействием лазера большой мощности на участки, где инициируется фотохимическая реакция, в результате которой и начинают проявляться флюоресцентные свойства. При считывании частицы фотохрома в участках, облученных лазером, опять возбуждаются посредством лазера меньшей мощности и начинает флюоресцировать. Это свечение улавливается фотоприемником и принимается как значение "1". Особенность FM-диска отражается на характеристике накопителя: - многослойность, прозрачность и однородность; - низкие потери сигнала при прохождении через несколько слоев; - флуоресцентное свечение элементов "прозрачно" для всех слоёв диска; - меньшая чувствительность, чем у CD/DVD, к различным недостаткам устройств считывания; - флуоресцентное свечение с любого слоя не когерентно, исключается интерференция, которая присутствует в технологиях CD/DVD; - флуоресцентная технология совместима с CD и DVD форматами распределения данных на каждом слое. Сравнительные характеристики флуоресцентного диска емкостью 50 Гб представлены в таб. 4.7.
Из табл. 4.7 видно, что FM-диск позволяет хранить и использовать больше данных, чем CD-диски или DVD-диски, и может быть, в скором времени FM-диски заменят другие оптические накопители. Лекция 17: Шины микропроцессорной: системы и циклы обмена Самое главное, что должен знать разработчик микропроцессорных систем — это принципы организации обмена информацией по шинам таких систем. Без этого невозможно разработать аппаратную часть системы, а без аппаратной части не будет работать никакое программное обеспечение. За более чем 30 лет, прошедших с момента появления первых микропроцессоров, были выработаны определенные правила обмена, которым следуют и разработчики новых микропроцессорных систем. Правила эти не слишком сложны, но твердо знать и неукоснительно соблюдать их для успешной работы необходимо. Как показала практика, принципы организации обмена по шинам гораздо важнее, чем особенности конкретных микропроцессоров. Стандартные системные магистрали живут гораздо дольше, чем тот или иной процессор. Разработчики новых процессоров ориентируются на уже существующие стандарты магистрали. Более того, некоторые системы на основе совершенно разных процессоров используют одну и ту же системную магистраль. То есть магистраль оказывается самым главным системообразующим фактором в микропроцессорных системах. Обмен информацией в микропроцессорных системах происходит в циклах обмена информацией. Под циклом обмена информацией понимается временной интервал, в течение которого происходит выполнение одной элементарной операции обмена по шине. Например, пересылка кода данных из процессора в память или же пересылка кода данных из устройства ввода/вывода в процессор. В пределах одного цикла также может передаваться и несколько кодов данных, даже целый массив данных, но это встречается реже. Циклы обмена информацией делятся на два основных типа: Цикл записи (вывода), в котором процессор записывает (выводит) информацию; Цикл чтения (ввода), в котором процессор читает (вводит) информацию. В некоторых микропроцессорных системах существует также цикл «чтение-модификация-запись» или же «ввод-пауза-вывод». В этих циклах процессор сначала читает информацию из памяти или устройства ввода/вывода, затем как-то преобразует ее и снова записывает по тому же адресу. Например, процессор может прочитать код из ячейки памяти, увеличить его на единицу и снова записать в эту же ячейку памяти. Наличие или отсутствие данного типа цикла связано с особенностями используемого процессора. Особое место занимают циклы прямого доступа к памяти (если режим ПДП в системе предусмотрен) и циклы запроса и предоставления прерывания (если прерывания в системе есть). Когда в дальнейшем речь пойдет о таких циклах, это будет специально оговорено. Во время каждого цикла устройства, участвующие в обмене информацией, передают друг другу информационные и управляющие сигналы в строго установленном порядке или, как еще говорят, в соответствии с принятым протоколом обмена информацией. Длительность цикла обмена может быть постоянной или переменной, но она всегда включает в себя несколько периодов сигнала тактовой частоты системы. То есть даже в идеальном случае частота чтения информации процессором и частота записи информации оказываются в несколько раз меньше тактовой частоты системы. Чтение кодов команд из памяти системы также производится с помощью циклов чтения. Поэтому в случае одношинной архитектуры на системной магистрали чередуются циклы чтения команд и циклы пересылки (чтения и записи) данных, но протоколы обмена остаются неизменными независимо от того, что передается — данные или команды. В случае двухшинной архитектуры циклы чтения команд и записи или чтения данных разделяются по разным шинам и могут выполняться одновременно. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||