ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 24.12.2021
Просмотров: 6698
Скачиваний: 8
88 Глава 2. Организация компьютерных систем
амбулы, коды с исправлением ошибок и межсекторные интервалы. Емкость фор-
матированного диска обычно на 15% меньше емкости неформатированного диска.
У всех дисков есть кронштейны, они могут перемещаться туда и обратно по
радиусу на разные расстояния от шпинделя, вокруг которого вращается диск. На
разных расстояниях от оси записываются разные дорожки. Таким образом, дорожки
представляют собой ряд концентрических кругов, расположенных вокруг шпин-
деля. Ширина дорожки зависит от величины головки и от точности ее перемеще-
ния. На сегодняшний момент диски имеют от 800 до 2000 дорожек на см
1
, то есть
ширина каждой дорожки составляет от 5 до 10 микрон (1 микрон=1/1000 мм). Сле-
дует отметить, что дорожка — это не углубление на поверхности диска, а просто
кольцо намагниченного материала, которое отделяется от других дорожек неболь-
шими пограничными областями.
Плотность записи битов на концентрических дорожках различная, в зависимо-
сти от расстояния от центра диска. Плотность записи зависит главным образом от
качества поверхности диска и чистоты воздуха. Плотность записи современных
дисков разнится от 50 000 до 100 000 бит/см. Чтобы достичь высокого качества
поверхности и достаточной чистоты воздуха, диски герметично запечатываются,
что защищает их от попадания грязи. Такие диски называются винчестерами. Впер-
вые они были выпущены фирмой IBM. У них было 30 Мбайт фиксированной па-
мяти и 30 Мбайт сменной памяти. Возможно, эти диски 30-30 ассоциировались с
ружьями «Винчестер» 30-30
2
Большинство магнитных дисков состоит из несколь-
ких пластин, расположенных друг под другом, как показано на рис. 2.17. Каждая
поверхность снабжена рычагом и головкой. Рычаги скреплены таким образом, что
одновременно могут перемещаться на разные расстояния от оси. Совокупность
дорожек, расположенных на одном расстоянии от центра, называется
цилиндром.
Производительность диска зависит от многих факторов. Чтобы считать или
записать сектор, головка должна переместиться на нужное расстояние от оси. Этот
процесс называется
поиском.
Среднее время поиска между дорожками, взятыми
наугад, составляет от 5 до 15 мс, а поиск между последовательными дорожками
занимает около 1 мс. Когда головка помещается на нужное расстояние от центра,
выжидается некоторое количество времени (оно называется
временем ожидания
сектора),
пока нужный сектор не оказывается иод головкой. Большинство дисков
вращаются со скоростью 3600, 5400 или 7200 оборотов в минуту. Таким образом,
среднее время ожидания сектора (половина оборота) составляет от 4 до 8 мс. Суще-
ствуют также диски со скоростью вращения 10800 оборотов в минуту (180 оборо-
тов в секунду). Время передачи информации зависит от плотности записи и ско-
рости вращения. При скорости передачи от 5 до 10 Мбайт в секунду
3
время передачи
одного сектора (512 байтов) составляет от 25 до 100 мкс. Следовательно, время
поиска и время ожидания сектора определяет время передачи информации. Ясно,
что считывание секторов из разных частей диска неэффективно.
1
Плотность хранения информации на магнитных дисках также постоянно увеличивается, и сейчас
на 1 см поверхности уже размещается более 10000 дорожек
— Примеч. научи, ред.
2
Двуствольное ружье 30-го калибра. —
Примеч. перев
3
В современных винчестерах скорость линейного чтения уже превысила 40 Мбайт в секунду
—Примеч.
научн ред
Вспомогательная память 89
Поверхность 7
Поверхность 6
Поверхность 5
Поверхность 4
Поверхность 3
Поверхность 2
Поверхность 1
Поверхность О
Головка считывания/записи
Направление движения привода
Рис. 2.17. Винчестер с четырьмя дисками
Следует упомянуть, что из-за наличия преамбул, кодов с исправлением оши-
бок, промежутков между секторами, а также из-за того, что определенное время
затрачивается на поиск дорожки и на ожидание сектора, существует огромная раз-
ница между максимальной скоростью передачи данных, когда необходимые дан-
ные разбросаны в разных частях диска, и той, когда они находятся в одном месте
и считываются последовательно. Максимальная скорость передачи данных в пер-
вом случае достигается в тот момент, когда головка расположена над первым би-
том данных. Однако такая скорость работы может сохраняться только на одном
секторе. Для некоторых приложений, например мультимедиа, имеет значение имен-
но средняя скорость передачи за некоторый период с учетом необходимого време-
ни поиска и времени ожидания сектора.
Поскольку диски вращаются со скоростью от 60 до 120 оборотов в секунду, они
нагреваются и расширяются, то есть физически изменяются в размерах. Некото-
рые диски должны периодически совершать рекалибровку механизмов перемеще-
ния, чтобы компенсировать эти расширения. Поэтому мощность привода, переме-
щающего головки над поверхностью диска, периодически меняется. При таких
рекалибровках могут возникать трудности с использованием прикладных программ
мультимедиа, которые ожидают более или менее непрерывного потока битов, по-
ступающего с максимальной скоростью передачи последовательной информации
(с одной части диска). Для работы с прикладными программами мультимедиа
некоторые производители выпускают специальные
аудио-видеодиски,
которые
не совершают термических рекалибровок.
Немного сообразительности, и старая школьная математическая формула для
вычисления длины окружности с=2яг откроет, что линейная длина внешних доро-
жек больше, чем длина внутренних. Поскольку все магнитные диски вращаются
с постоянной угловой скоростью независимо от того, где находятся головки, воз-
никает очевидная проблема. Раньше при производстве дисков изготовители со-
здавали максимально возможную плотность записи на внутренней дорожке, и при
продвижении от центра диска плотность записи постепенно снижалась. Если до-
рожка содержит, например, 18 секторов, то каждый из них занимает дугу в 20°, и не
важно, на каком цилиндре находится эта дорожка.
90 Глава 2. Организация компьютерных систем
В настоящее время используется другая стратегия. Цилиндры делятся на зоны
(на диске их обычно от 10 до 30). При продвижении от центра диска число секто-
ров на дорожке в каждой зоне возрастает. Это изменение усложняет процедуру
хранения информации на дорожке, но зато повышает емкость диска, что считается
более важным. Все секторы имеют одинаковый размер. К счастью, хоть какие-то
вещи в жизни никогда не изменяются.
С диском связан так называемый контроллер — микросхема, которая управля-
ет диском. Некоторые контроллеры содержат целый процессор. В задачи контрол-
лера входит получение от программного обеспечения таких команд, как READ, WRITE
и FORMAT (то есть запись всех преамбул), управление перемещением рычага, обна-
ружение и исправление ошибок, преобразование 8-битных байтов, считываемых
из памяти, в непрерывный поток битов и наоборот. Некоторые контроллеры произ-
водят буферизацию совокупности секторов и кэширование секторов для дальней-
шего потенциального использования, а также устраняют поврежденные секторы.
Необходимость последней функции вызвана наличием секторов с поврежденным,
то есть постоянно намагниченным, участком. Когда контроллер обнаруживает по-
врежденный сектор, он заменяет его одним из свободных секторов, которые выде-
ляются специально для этой цели в каждом цилиндре или зоне.
Дискеты
С изобретением персонального компьютера появилась необходимость каким-то
образом распространять программное обеспечение. Решением этой проблемы по-
служила дискета (floppy disk — «гибкий диск»; назван так, потому что первые дис-
кеты были гибкими физически) — небольшой сменный носитель информации.
Дискеты были придуманы фирмой IBM. Изначально на них записывалась инфор-
мация по обслуживанию больших машин (для сотрудников фирмы). Но произ-
водители компьютеров вскоре переняли эту идею и стали использовать дискеты
в качестве удобного средства записи программного обеспечения и его продажи.
Дискеты обладают теми же общими характеристиками, что и диски, которые
мы только что рассматривали, с тем лишь различием, что головки жестких дисков
перемещаются над поверхностью диска на воздушной подушке, а у дискет головки
касаются поверхности. В результате и сами дискеты, и головки очень быстро изна-
шиваются. Поэтому когда не происходит считывание и запись информации, го-
ловки убираются с поверхности, а компьютер останавливает вращение диска. Это
позволяет продлить срок службы дискет. Но при этом, если поступает команда
считывания или записи, происходит небольшая задержка (примерно полсекунды)
перед тем, как мотор начнет работать.
Существует два вида дискет: 5,25 дюймов и 3,5 дюйма
1
. Каждая из них может
быть или с низкой плотностью записи (Low-Density, сокращение LD), или с высо-
кой плотностью записи (High-Density, сокращение HD). Дискеты на 3,5 дюйма
выпускаются в жесткой защитной упаковке, поэтому в действительности они не
1
Дискеты размером 5,25 дюйма уже несколько лет как вышли из обращения В 2001 году производите-
ли персональных компьютеров выпустили стандарт, согласно которому и дискеты размером 3,5 дюй-
ма должны будут окончить свое существование, так как в новые компьютеры не будут устанавливать-
ся приводы для работы с этими дискетами. —
Примеч. научи, ред.
Вспомогательная память 91
гибкие. Поскольку 3-дюймовые дискеты вмещают больше данных и лучше защи-
щены от внешних воздействий, они, по существу, заменили старые 5-дюймовые.
Наиболее важные параметры всех 4 типов дискет показаны в табл. 2.3.
Таблица 2.3.
Параметры четырех видов дискет
Параметры
Размер, дюймы
Емкость
Количество дорожек
Количество секторов в дорожке
Количество головок
Число оборотов в мин.
Скорость передачи данных, Кбит/с
Тип
LD5.25
5,25
360 Кбайт
40
9
2
300
250
Гибкий
HD5.25
5,25
1,2 Мбайт
60
15
2
360
500
Гибкий
LD3,5
3,5
720 Кбайт
80
9
2
300
250
i
HD3.5
3,5
1,44 Мбайт
80
18
2
300
500
Жесткий
Диски IDE
Диски современных персональных компьютеров развились из диска машины
IBM PC XT. Это был диск Seagate на 10 Мбайт, управляемый контроллером Xebec
на встроенной карте. У этого диска было 4 головки, 306 цилиндров и по 17 секто-
ров на дорожке. Контроллер мог управлять двумя дисками. Операционная систе-
ма считывала с диска и записывала на диск информацию. Для этого она передава-
ла параметры в регистры процессора и вызывала систему
BIOS (Basic Input Output
System
—
базовую систему ввода-вывода),
расположенную во встроенном ПЗУ.
Система BIOS запрашивала машинные команды для загрузки регистров контрол-
лера, которые начинали передачу данных.
Сначала контроллер помещался на отдельной плате, а позже, начиная с
IDE-
дисков
(Integrated Drive Electronics
—
устройство со встроенным контроллером),
которые появились в середине 80-х годов, стал встраиваться в материнскую пла-
ту
2
. Однако соглашения о вызовах системы BIOS не изменялись, поскольку не-
обходимо было обеспечить совместимость с более старыми версиями. Обраще-
ние к секторам производилось по номерам головки, цилиндра и сектора, причем
головки и цилиндры нумеровались с 0, а секторы — с 1. Вероятно, такая ситуация
сложилась из-за ошибки одного из программистов BIOS, который написал свой
шедевр на ассемблере 8088. Имея 4 бита для номера головки, 6 битов для сектора
и 10 битов для цилиндра, диск мог содержать максимум 16 головок, 63 сектора и
1024 цилиндра, то есть всего 1 032 192 сектора. Емкость такого диска составляла
528 Мбайт, и в те времена эта цифра считалась огромной (а вы бы стали сегодня
осыпать упреками новую машину, которая не способна работать с дисками объемом
более 1 Тбайт?).
1
Сам магнитный диск — гибкий, жестким является только футляр, в котором он расположен. —
При-
меч. научи, ред.
2
Встраиваться он стал в сам винчестер, то есть на печатную плату, расположенную в корпусе винчестера.
На материнской плате размещается иторая часть контроллера этого интерфейса. —
Примеч. научн.ред.
92 Глава 2. Организация компьютерных систем
Вскоре появились диски объемом более 528 Мбайт, но у них была другая гео-
метрия (4 головки, 32 сектора, 2000 цилиндров). Операционная система не могла
обращаться к ним из-за того, что соглашения о вызовах системы BIOS не меня-
лись (требование совместимости). В результате контроллеры начали выдавать
ложную информацию, делая вид, что геометрия диска соответствовала системе
BIOS. Но на самом деле виртуальная геометрия просто накладывалась на реаль-
ную. Хотя этот метод действовал, он затруднял работу операционных систем, ко-
торые размещали данные определенным образом, чтобы сократить время поиска.
В конце концов на смену IDE дискам пришли EIDE-диски (Extended
IDE
—
усовершенствованные IDE), поддерживающие дополнительную схему адресации
LBA (Logical Block Adressing),
которая просто нумерует секторы от 0 до 2
2 4
-1.
Контроллер должен переделывать адреса LBA в адреса головки, сектора и цилин-
дра, но зато объем диска превышает 528 Мбайт. EIDE диски и контроллеры так-
же имеют другие усовершенствования. Например, они способны контролировать
4 диска вместо двух, у них более высокая скорость передачи данных, и они могут
управлять приводом для чтения CD-ROM.
Изначально IDE- и EIDE-диски производились только для систем Intel, по-
скольку данный интерфейс является точной копией шины IBM PC. Тем не менее
в настоящее время некоторые другие компьютеры также используют эти диски
из-за их низкой стоимости.
SCSI-диски
SCSI-диски не отличаются от IDE-дисков с точки зрения расположения цилинд-
ров, дорожек и секторов, но они имеют другой интерфейс и более высокую ско-
рость передачи данных, SCSI-диски восходят к изобретателю дискеты Говарду
Шугарту (Hovard Shugart). В 19791 оду его компания выпустила диск SASI (Shugart
Associates System Interface). В 1986 году Институт американских государствен-
ных стандартов после длительных обсуждений внес некоторые преобразования
в этот диск и изменил его название на
SCSI (Small
Computer System
Interface
—
интерфейс малых вычислительных систем).
Аббревиатура SCSI произносится как
«скази». Версии, работающие с более высокой скоростью, получили названия Fast
SCSI (10 МГц), Ultra SCSI (20 МГц) и Ultra2 SCSI (40 МГц). Каждая из этих раз-
новидностей также имела 16-битную версию. Основные параметры всех этих вер-
сий приведены в табл. 2.4.
Таблица 2.4.
Некоторые возможные параметры SCSI
Название
SCSI-1
Fast SCSI
Wide Fast SCSI
Ultra SCSI
Wide Ultra SCSI
Ultra2 SCSI
Wide Ultra2 SCSI
Количество
разрядов
8
8
16
8
16
8
16
Шина (МГц)
5
10
10
20
20
40
40
Скорость передачи данных
по шине, Мбайт/с
5
10
20
20
40
40
80