Реферат: Аппаратные средства 
ЖЕСТКИЕ ДИСКИ
Большая часть жестких дисков, представленных на мировом рынке, выпускается
специализированными фирмами — Quantum, Seagate, Conner, Western Digital,
Maxtor и некоторыми другими.
Жесткие диски с интерфейсом IDE
Жесткая конкуренция и особая важность в этих условиях ценового фактора
требуют от производителей массовой продукции использования самых современных
технологических достижений. За счет применения записи с высокой плотностью (400
Mbit на квадратный дюйм) стандартное значение емкости, приходящейся на один
диск (носитель), достигло 540 MB. Это позволяет уменьшить не только количество
дисков, но и магнитных головок и других элементов, а значит снизить цену и
повысить надежность. При применении таких дисков линейка выпускаемых моделей
по емкости выглядит следующим образом: 540 MB, 1.0, 1.6, 2.2 GB и т. д.
Практически все ведущие производители переходят на выпуск моделей с такой
плотностью записи, которая уже находится на пределе возможностей стандартной
технологии, основанной на применении тон-копленочных магнитных головок.
Радикальное средство — переход на магниторезистивные головки — является для
большинства фирм довольно дорогостоящим, так как технологией их массового
производства обладают только IBM и Fujitsu. Поэтому начинают
применяться некоторые другие решения. Так, фирма Maxtor в новых моделях cepиях
Durarigo (540 MB, 1 GB и 1.6 GB) начала применять особую технологию Proximity
recording с псевдо-контактирующей магнитной головкой Tripad (тонкопленочной) и
алмазоподобным углеродным покрытием носителя. Головка находится на очень
близком расстоянии от диска , а в отдельных случаях может даже касаться его
поверхности, что не приводят, однако, к. повреждению магнитного слоя,
защищенного прочным покрытием. Maxtor, а также некоторые другие фирмы
рассматривают эту технологию как более дешевую альтернативу магниторезистивным
головкам и PRML для плотностей записи до 1000 Mbit на квадратный дюйм.
Интерфейс Enhanced IDE, ставший основным для массовой продукции, несмотря на
очень хорошие скорости передачи, все же уступает интерфейсу SCSI по
возможностям, особенно в многозадачных средах. Ситуация, возможно, улучшится
с принятием спецификации АТА-3, в которой, по предварительным данным, будут
дополнения (command overlapping and queuing, predictive failure analysis bit и
некоторые другие), позволяющие в некоторой степени приблизиться к SCSI как по
эффективности отработки запросов, так и по контролю за целостностью данных.
Жесткие диски с интерфейсом SCSI
Если 90% жестких дисков, устанавливаемых в персональные компьютеры, имеют
интерфейс Enhanced IDE, и только 10% — SCSI, то для компьютеров, используемых
в качестве серверов, доля SCSI увеличивается до 90%. Интерфейс SCSI
обеспечивает большие преимущества при работе в многозадачном режиме, поэтому,
несмотря на более высокую цену по сравнению с IDE, доля SCSI жестких дисков
будет увеличиваться и для персональных компьютеров. На нижнем краю диапазона
выпускаемых дисков находятся модели, использующие ту же механику, что и
соответствующие диски Enhanced IDE. Соответственно, они обладают такими же
параметрами. Благодаря невысокой цене и хорошей производительности, область
их применения очень широка, начиная от персональных компьютеров. Большая же
часть продукции имеет повышенную емкость и ориентирована на достижение самого
высокого уровня производительности. Поэтому использование передовых технологий
— магниторезистивных головок и PRML (применяются во всех моделях IBM и Fujitsu
и некоторых моделях других фирм) и усовершенствованных интерфейсов —
приобретает первостепенное значение. Такие диски обладают самыми высокими
параметрами — при емкости 4-8 GB (IBM довела емкость 3.5" моделей до 20 GB) они
имеют кэш-память 512-1024 KB, скорость вращения 7200 об/мин и среднее время
поиска меньше 10 ms. В некоторых случаях лимитирующим фактором становится
быстродействие интерфейса, поэтому кроме стандартного Fast SCSI-2 со скоростью
передачи 10 MB/s применяются также Fast Wide SCSI-2 (SCSI-3) на 20 MB/s, Ultra
SCSI (40 MB/s).
Жесткие диски для аудио и видео
Развитие multimedia вызвало значительный интерес к так называемым аудио/видео
жестким дискам как со стороны потребителей, так и производителей. Обычные
диски оптимизированы для быстрого доступа и быстрой передачи относительно
небольших блоков информации, т. е, для максимального количества операций
ввода/вывода в единицу времени. Для работы со звуком и видео должна
обеспечиваться, наоборот, непрерывная передача информации в течение
достаточно длительного времени с практически постоянной скоростью, как в
случае с магнитной лентой. Обычные диски из-за периодической процедуры
термической калибровки и повторного чтения в случае возникновения ошибок
допускают перерывы в передаче информации на время, достигающее сотен
миллисекунд, что приводит к неприятным последствиям при воспроизведении
изображения и звука. Реально встречающиеся перерывы можно неитрализовать с
помощью кэш-памяти очень большого объема, но это дорогостоящее решение. Первые
специализированные диски для аудио и видео выпустила фирма Microp
оlis. В настоящее время соответствующими возможностями начинают оснащать свои
изделия большинство ведущих производителей — IBM, Fujitsu, Seagate, Quantum.
В дисках новой конструкции проблемы, связанные с термической калибровкой
решаются относительно легко, так как сервоинформация хранится не на отдельной
выделенной поверхности. а распределена по рабочим поверхностям. Требуется
только модификация встроенного контроллера для оптимизации процедуры
термической калибровки. На уровне контроллера оптимизируется и процедура
коррекции ошибок. Поэтому на основе одной и той же механики можно создавать и
обычные и аудио/видео жесткие диски. Такой подход позволяет выпускать
комбинированные (т. е. переключаемые) диски без особых дополнительных затрат.
Разные фирмы применяют отличающиеся подходы к производству аудио/видео
дисков. Так, пионер в этой области фирма Micropolis выделила их в отдельное
производство. Seagate ориентируется на комбинированные диски, которые можно
применять как для аудио/видео, так и в обычном режиме. Это некоторые модели
серии Decathlon с ин-герфеисом как SCSI, -так и Fast ATA (Enhanced ide).
Для аудио/видео жестких дисков важным параметром является гарантированная
скорость передачи информации. Для первых дисков фирмы Micropоlis она составляла
2.9 MB/s, у современных моделей Gold Line увеличена до 4 MB/s. IBM для своих
дисков Ultrastar AV гарантирует 5 MB/s.
Жесткие диски 2.5" и 1.8"
Ориентированные изначально на мобильные применения, миниатюрные жесткие диски
значительно усовкршенствовались и не уступают моделям для настольных
конструкций. Жесткие диски в стандарте PCMCIA с форм-фактором 1.8" не смогли
занять место штатных устройств массовой памяти для компьютеров типа notebook и
laptop, на которое они вполне обоснованно претендовали. Поэтому объемы их
выпуска ограничены, и они в основном применятся для обмена информацией и для
индивидуальной работы с какими-либо данными. При постоянно растущих требованиях
к емкости дисков оказалось невозможным обеспечить приемлемый уровень цен при
применении столь сложной -технологии, поэтому функции миниатюрных устройств
массовой памяти в основном возлагаются на модели с форм-фактором 2.5",
максимальная емкость которых превышает уже 1 GB. Фирме Maxtor, лидеру в
производстве сверхминиатюрных изделий, удалось перенести know how,
разработанное для 1.8" жестких дисков MobileMax, на 2.5" модели, что позволило
выйти сразу на уровень максимально достигнутой емкости при меньших, чем у
других фирм размерах. Жесткие диски серии Laramie с интерфейсом Enhanced IDE
при толщине всего 12.5 мм имеют емкость 837 MB, 1GB и 1.34 GB. В них применена
технология proximity recording и контроллер на базе сигнального процессора.
Fujitsu производит 2.5" диски серий Hornet 5 и 6, в которых применяются
магниторезистивные головки и PRML. Емкость дисков составляет 508 MB, 768 MB и 1
GB, интерфейсы — Enhanced IDE и Fast SCSI-2. Диски обладают высокой
производительностью и малым потреблением энергии. Модели с интерфейсом SCSI
предназначены не только для применения в notebook фирмы Apple, но могут
использоваться и в настольных компьютерах, а также для создания компактных и
надежных RAID-массивов.
Надежность
Как для самых емких и производительных жестких дисков с интерфейсом SCSI,
так и для массовых моделей Enhanced IDE, важнейшим параметром остается
надежность. Современные диски обладают очень высокой надежностью, время
наработки на отказ у некоторых моделей достигает 1 000 000 часов. Однако не
следует забывать, что надежность, оцененная по MTBF (Mean Time
Between Failure), — это понятие общее и статистическое, а перед пользователем
стоит задача, как перевести его в конкретное и индивидуальное. Традиционные
подходы к повышению надежности хранения данных широко известны — это резервное
копирование и применение массивов из нескольких дисков (RAID — Redundant Array
of Inexpensive Disks). Несколько слов о RAID. Это решение, повышающее не тольо
надежность, но и производительность, никогда не относилось к разряду дешевых и
доступных. Однако сейчас, с уменьшением стоимости SCSI жестких дисков, массивы
начинают предлагаться довольно широко, чему способствует также появление
относительно дешевых RAID контроллеров (разрабатываются даже и в ближайшее
время появятся контроллеры, встроенные в системную плату). Наконец, появился
принципиально новый подход, применимый и к индивидуальному диску, — SMART
(Self-Monitoring, Analysis аnd Reporting Technology). Он может использоваться
практически для любой компьютерной периферии и предлагает наличие- всроенных в
устройство средсгв caмодиагностики. SMART предусматривает использование
некоторых реализованных на уровне встроенного в жесткий диск контроллера
процедур, которые проверяют состояние важнейших частей — двигателя, магнитных
головок, рабочих поверхностей, самого контроллера. Эта информация передается в
компьютер, который ее анализирует. Возможно также определить "пробег" жесткого
диска, число включений/выключений. Совсем недавно Seagate и Quantum также
начали применять SMART в своих жестких дисках. Использование SMART, хотя и
позволяет довольно подробно контролировать состояние диска, не является
панацеей, так как появление некоторых дефектов практически не-возможно
предсказать.
Оперативная память
Оперативная память составляет не большую, но, безусловно, важнейшую часть
персонального компьютера. Если от типа процессора зависит количество
адресуемой памяти, то быстродействие используемой оперативной памяти во многом
определяет скорость работы процессора, и в конечном итоге влияет на
производительность всей системы.
Практически любой персональный IBM-совместимый компьютер оснащен оперативной
памятью, реализованной микросхемами динамического типа с произвольной выборкой.
(DRAM, Dynamic Random Access Memory). Каждый бит такой памяти физически
представлен в виде наличия (или отсутствия) заряда на конденсаторе,
образованном в структуре полупроводникового кристалла. Поскольку время хранения
заряда конденсатором ограничено (из-за «паразитных» ; утечек), то, чтобы не
потерять имеющиеся данные, необход]имо периодическое восстановление записанной
информации, которое и выполняется в циклах регенерации (refresh cycle). Это
является, пожалуй, одним из основных недостатков динамической памяти, в то
время, как по критерию, увеличивающему информационную емкость, стоимость и
энергопотребление, этот тип памяти во многих случаях предпочтительнее
статической памяти (SRAM, Static RAM). Последняя в качестве элементарной ячейки
памяти использует так называемый статический триггер. Этот тип памяти обладает
высоким быстзодействием и, как правило, используется в самых «узких». местах
системы, например, для организации памяги.
Элементы динамической памяти для персональных компьютеров бывают
конструктивно выполнены либо в виде отдельных микросхем в корпусах типа DIP
(Dual In line Package), либо в виде модулей памяти типа SIP/SIPP (Single In
line Pin Package) или типа SIMM (Single In line Mernory Module). Модули памяти
представляют собой небольшие текстолитовые платы с печатным монтажом с
установленными на них микросхемами памяти в DIP-корпусах. При этом для
подключения к системной плате на SIMM используется печатный («ножевой»)
разъем, а на модулях SIP — штыревой.
Используемый в IBM PC/XT процессор i8086 через свои 20 адресных линий может
иметь доступ к пространству памяти всего в 1 Мбайт. Но в то время, когда
появились эти компьютеры, возможность увеличения доступной оперативной памяти в
10 раз (по сравнению с обычными 64 Кбайт) была просто фантастической. Отсюда
наверно и появилась «волюнтаристская» цифра — 640 Кбайт. Эти первые 640 Кбайт
адресуемого пространства в IBM-совместимых компьютерах называют обычно
стандартной памятью (conventional memory). Оставшиеся 384 Кбайт были
зарезервированы для систем использования и носят название памяти в верхних или
высших адресах (UMB, Upper Memory Blocks). Эта область памяти резервируется под
размещение системного ROM BIOS (Read Only Меш Basic Input Output System),
видеопамяти и ROM-памяти, полнительных адаптеров.
Почти на всех персональных компьютерах область UMB редко оказывается
заполненной полностью. Пустует, как правило, область расширения системного ROM
BIOS часть видеопамяти и области под дополнительные модули ROM. На этом и
базируется спецификация дополнительной памяти EMS (Expanded Memory
Specification), разработка фирмами Lotus Development, Intel и Microsoft
(поэтому называемая иногда LIM-спецификацией) еще в 1985 г. и позволяющая
использовать оперативную память свыше стандартных 640 Кбайт для прикладных
программ. Принцип использования дополнительной памяти основан на переключении
блоков (страниц) памяти. В выделяется незанятое «окно» (page frame) в 64-Кбайт,
которое разбито на 16-килобайтные страницы. Программные и аппаратные средства
позволяют отображать любой 16-килобайтный сегмент этой дополнительной
expanded-иамйти в любой из выделенных 16-килобайтных страниц окна. Хотя
микропроцессор всегда обращается к данным, хранимым в окне (адрес 1 Мбайт),
адреса этих данных могут быть смещены в дополнительной памяти относительно окна
на несколько мегабайт. Спецификация LIM/EMS 4.0 позволяет использовать до 2048
логических страниц и расширить объем адресуемой памяти до 32 Мбайт. Кроме
этого, как и в EMS, физические страницы могут быть расположены в любом месте
памяти , отличный от 16 Кбайт. Таким образом могут задействоваться области
видеопамяти и UMB. Возможности спецификации позволяют, в частности,
организовать многозадачный режим работы.
Компьютеры, использующие процессор i80286 с 24-разрядными адресными шинами,
физически могут адресовать 16 Мбайт, а в случае процессоров i80386/486 — 4
Гбайта памяти. Такая возможность появляется только при защищённом режиме
работы процессора (protected mode), которого операционная система MS DOS не
поддерживает. Расширенная память располагается выше области адресов 1 Мбайт.
Для работы с extended-памятью микропроцессор должен переходить из реального в
защищенный режим и обратно. Микропроцессоры i80386/486 выполняют эту операцию
достаточно легко, чего не скажешь о i80286. При наличии соответствующего
программного драйвера расширенную память можно эмулировать как дополнительную.
Аппаратную поддержку в этом случае должен обеспечивать процессор не ниже i80386
или вспомогательный набор специальных микросхем.
Кэш-память предназначена для согласования скорости работы сравнительно
медленных устройств, таких, например как динамическая память с относительно
быстрым микропроцессором. Использование кэш-памяти позволяет избегать циклов
ожидания в его работе, которые снижают производительность всей системы.
У микропроцессора, синхронизируемого, например, тактовой частотой 33 МГц,
тактовый период составляет приблизительно 30 нс. Обычные современные микросхемы
динамической памяти имеют время выборки от 60 до 80 нс. Отсюда, в частности,
следует, что центральный процессор вынужден простаивать 2-3 периода
тактовой частоты (т.е. имеет 2-3 цикла ожидания), пока информация из
соответствующих микросхем памяти установится на системной шине данных
компьютера. Понятно, что в это время процессор не может выполнять никакую
другую работу. Такая ситуация ведет обычно к тому, что общая
производительность системы снижается, что, разумеется, крайне нежелательно.
С помощью технологии обработки, использующей кэш-память, обычно делается
попытка согласовать работу медленных внешних устройств с быстрым процессором. В
переводе с английского слово «сасhе» означает не что иное, как убежище или
тайник. Эти значения, очевидно, можно толковать по-разному: и как то, что кэш,
по сути, является промежуточным буферным запоминающим устройством, и как то,
что работа кэш-памяти практически прозрачна (т.е. невидима) для пользователя.
Кстати, в отечественной литературе синонимом кэш-памяти является термин
«сверхоперативная память».
Соответствующий контроллер кэш-памяти должен заботиться о том, чтобы команды
и данные, которые будут необходимы микропроцессору в определенный момент
времени, оказывались в кэш-памяти именно к этому моменту. При некоторых
обращениях к оперативной памяти соответствующие значения заносятся в кэш. В
ходе последующих операций чтения по тем ке адресам памяти обращения происходят
только к кэш-память, без затраты процессорного времени на ожидание, которое
неизбежно при работе с основной динамической памятью. В персональных
компьютерах технология использования кэш-памяти находит применение прежде всего
при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью, а также между
основной памятью и внешней (накопителями на магнитных носителях).
На кристалле микросхемы оперативной памяти SRАМ находится огромное
количество транзисторов. Как уже говорилось, принщп работы ячейки динамической
памяти состоит в сохранении ; заряда на крошечном конденсаторе, выполненном в
полупроводниковой структуре кристалла. Понятно, что для того чтобы зарядить
конденсатор до определенного значения, необходимо некоторое время. Чтобы
конденсатор разрядился, также необходимо определенное время. Таким образом, в
результате процессов заряда и разряда конденсатора ячейка памяти устанавливает
либо в состояние 1, либо в состояние 0. Поскольку для заряда и разряда
конденсатора необходимо вполне определенное (и немалое) время, то в этом и
кроется причина ограниченного быстродействия динамической памяти.
Статическая же память основана на триггерах, в которых применяются
интегральные транзисторы-переключатели. Такие транзисторы используют ключевой
принцип работы: они либо закрыты, либо открыты. Конечно, на переход
транзистора из одного состояния в другое также необходимо какое-то время,
однако оно существенно меньше времени заряда-разряда конденсатора,
выполняющего роль элемента памяти. Наряду с таким достоинством, как
быстродействие по отношению к динамической памяти, статическая память имеет и
недостатки. Она потребляет больший ток и имеет более сложную архитектуру -- на
одну ячейку памяти требуется больше транзисторов. Как следствие этого,
статическая память существенно дороже динамической. Кроме того, при одинаковом
коэффициенте интеграции статическая память обладает значительно меньшей
информационной емкостью.
При обмене данными возникает похожая проблема. Адреса данных, которые вскоре
понадобятся процессору для обработки, находятся в большинстве случаев рядом с
адресами данных, обрабатываемых непосредственно в данное время. Поэтому
кэш-контроллер должен также заботиться о размещении всего блока данных в
статической памяти.
Метод Write Through, называемый также методом сквозной записи, предполагает
наличие двух копий данных — одной в основной памяти, а другой — в кэш-памяти.
Каждый цикл записи процессора в память идет через кэш. Это обусловливает,
конечно, высокую загрузку системной шины, так как на каждую операцию
модификации данных приходится две операции записи. Поэтому каждое обновление
содержимого кэш-памяти ощутимо сказывается на работе шины. С другой стороны,
микропроцессор по-прежнему вынужден ожидать окончания записи в основную память.
Метод Buffered Write Through является разновидностью метода Write Through и
называется также методом буферизованной сквозной записи. Для того чтобы как-то
уменьшить загрузку шины, процесс записи выполняется в один или несколько
буферов, которые работают по принципу FIFO (First Input-First Output). Таким
образом, цикл записи для микропроцессора заканчивается практически мгновенно
(т.е. когда данные записаны в буфер), хотя информация в основной памяти еще не
сохранена. Сам же микропроцессор может выполнять дальнейшую обработку команд.
Конечно, соответствующая логика управления должна заботиться о том, чтобы
своевременно опустошать заполненные буферы. При использовании данного метода
процессор полностью освобожден от работы с основной памятью.
При использовании метода Write Back, называемого также методом обратной
записи, цикл записи микропроцессора происходит сначала в кэш-память, если там
есть адрес приемника. Если адреса приемника в кэш-памяти не оказывается, то
информация записывается непосредственно в память. Содержимое основной памяти
обновляется только тогда, когда из кэш-памяти в нее записывается полный блок
данных, называемый длиной строки-кэша (cache-line).
При работе с кэш-памятью применяется ассоциативный принцип, когда старшие
разряды адреса используются в качестве признака, а младшие — для выбора слова.
Архитектура кэш-памяти определяется тем, каким образом память отображается на
кэш. Существуют три разновидности отображения: кэш-память с прямым
отображением, частично ассоциативная и полностью ассоциативная. При прямом
отображении каждая ячейка основной памяти может отображаться только на одну
ячейку кэша, в частично ассоциативной —на две и больше (т.е., если одна ячейка
кэша занята, можно использовать другую). В случае наличия четырех входов
кэш-память называют 4-канальной частично ассоциативной, как, например, у i486.
При полностью ассоциативном подходе в качестве разрядов признаков используются
все адресные разряды.
НОВЫЕ ВИДЫ ПАМЯТИ
Резкое повышение быстродействия процессоров и переход на 32-разрядные
многозадачные операционные системы существенно поднимают требования и к
другим компонентам компьютера. Важнейшим из них является оперативная память.
Возрастание внешних тактовых частот процессоров с 33-40 МГц, характерных для
семейства 486 (486DX2-66/80 и 486DX4-100/120), до 50-66 МГц для Pentium
(Pentium 75/90/100/120/133), требует прежде всего адекватного увеличения
быстродействия подсистемы памяти. Поскольку в качестве оперативной
используется относительно медленная динамическая память DRAM (Dynamic Random
Access Memory), главный способ увеличения пропускной способности основан на
применении кэш-памяти. Кроме встроенной в процессор кэш-памяти первого
уровня применяется и кэш-память второго уровня (внешняя),
построенная на более быстродействующих, чем DRAM, микросхемах статической
памяти SRAM (Static RAM). Для высоких тактовых частот нужно увеличивать
быстродействие SRAM. Кроме того, в многозадачном режиме эффективность работы
кэш-памяти также может снижаться. Поэтому актуальной становится задача не
только увеличения быстродействия кэш-памяти, но и ускорения непосредственного
доступа к динамической памяти. Для решения этих проблем начинают
использоваться новые типы статической и динамической памяти.
Требования к объемам памяти диктуются программным обеспечением. При
использовании Windows оценить необходимое количество памяти можно на основе
тестов Winstone, использующих наиболее популярные приложения Windows.
Соответствующие данные представлены на рисунке 1.
Рис.1. Зависимость производительности от объема памяти. |
Страницы: 1, 2, 3
|
|
|
