Теоретические аспекты обработки информации

3.1. Устройства обработки информации и их характеристики

3.1.1. Краткая история развития устройств обработки информации

Все началось с идеи научить машину считать или хотя бы складывать многоразрядные целые числа. Еще около 1500 г. великий деятель эпохи Просвещения Леонардо да Винчи разработал эскиз 13-разрядного суммирующего устройства, что явилось первой дошедшей до нас попыткой решить указанную задачу. Первую же действующую суммирующую машину построил в 1642 г. Блез Паскаль – знамени­тый французский физик, математик, инженер. Его 8-разрядная машина сохранилась до наших дней.

От замечательного курьеза, каким восприняли современники машину Паскаля, до создания практически полезного и широко используемого агрегата – арифмометра (механического вычислительного устройства, способного выполнять 4 арифметических действия) – прошло почти 250 лет. Уже в начале XIX века уро­вень развития ряда наук и областей практической деятельности (математики, механики, астрономии, инженерных наук, навигации и др.) был столь высок, что они требовали выполнения огромного объема вычислений, выходящих за пределы возможностей человека, не вооруженного соответствующей техникой. Над ее созданием и совершенствованием работали как выдающиеся ученые с мировой известностью, так и сотни людей, имена многих из кото­рых до нас не дошли, посвятивших свою жизнь конструированию механических вычислительных устройств.

Еще в 70-х годах нашего века на полках магазинов стояли механические арифмометры и их “ближайшие родственники”, снабженные электрическим приводом -электромеханические клавишные вычислительные машины. Они довольно долго соседствовали с техникой совершенно иного уровня – автоматическими цифровыми вычислительными машинами (АЦВМ), которые в просторечии чаще называют ЭВМ (хотя, строго говоря, эти понятия не совсем совпадают). История АЦВМ восходит еще к первой половине прошлого века и связана с именем замечательного английского математика и инженера Чарльза Бэббиджа. Им в 1822 г. была спроектирована и почти 30 лет строилась и совершенствовалась машина, названная вначале “разностной”, а затем, после многочисленных усовершенствований проекта, “аналитической”. В “анали­тическую” машину были заложены принципы, ставшие фундаментальными для вычислительной техники.

1. Автоматическое выполнение операций.

Для выполнения расчетов большого объема существенно не только то, как быстро выполняется отдельная арифметическая операция, но и то, чтобы между операциями не было “зазоров”, требующих непосредственного человеческого вмешательства. Например, большинство современных калькуляторов не удовлетворяют этому требованию, хотя каждое доступное им действие выполняют очень быстро. Необходимо, чтобы операции следовали одна за другой безостановочно.

2. Работа по вводимой “на ходу” программе.

Для автоматического выполнения операций программа должна вводиться в исполнительное устройство со скоростью, соизмеримой со скоростью выполнения операций. Бэббидж предложил использовать для предварительной записи программ и ввода их в машину перфокарты, которые к тому времени применялись для управ­ления ткацкими станками.

3. Необходимость специального устройства – памяти – для хранения данных (Бэббидж назвал его “складом”).

Эти революционные идеи натолкнулись на невозможность их реализации на основе механической техники, ведь до появления первого электромотора остава­лось почти полвека, а первой электронной радиолампы – почти век. Они настолько опередили свое время, что были в значительной мере забыты и переоткрыты в следующем столетии.

Впервые автоматически действующие вычислительные устройства появились в середине XX века. Это стало возможным благодаря использованию наряду с механическими конструкциями электромеханических реле. Работы над релейными машинами начались в 30-е годы и продолжались с переменным успехом до тех пор, пока в 1944 г. под руководством Говарда Айкена – американского математика и физика – на фирме IBM (International Business Machines) не была запущена машина “Марк-1”, впервые реализовавшая идеи Бэббиджа (хотя разработчики, по-видимому, не были с ними знакомы). Для представления чисел в ней были исполь­зованы механические элементы (счетные колеса), для управления – электромехани­ческие. Одна из самых мощных релейных машин РВМ-1 была в начале 50-х годов построена в СССР под руководством Н.И.Бессонова; она выполняла до 20 умно­жений в секунду с достаточно длинными двоичными числами.

Подлинная революция в вычислительной технике произошла в связи с примене­нием электронных устройств. Работа над ними началась в конце 30-х годов одно­временно в США, Германии, Великобритании и СССР. К этому времени электрон­ные лампы, ставшие технической основой устройств обработки и хранения цифро­вой информации, уже широчайшим образом применялись в радиотехнических устройствах.

Первой действующей ЭВМ стал ENIAC (США, 1945 – 1946 гг.). Его название по первым буквам соответствующих английских слов означает “электронно-числовой интегратор и вычислитель”. Руководили ее созданием Джон Моучли и Преспер Эккерт, продолжившие начатую в конце 30-х годов работу Джорджа Атанасова. Машина содержала порядка 18 тысяч электронных ламп, множество электромеха­нических элементов. Ее энергопотребление равнялось 150 кВт, что вполне достаточно для обеспечения небольшого завода.

Практически одновременно велись работы над созданием ЭВМ в Великобритании. С ними связано прежде всего имя Аллана Тьюринга – математика, внесшего также большой вклад в теорию алгоритмов и теорию кодирования. В 1944 г. в Великобритании была запущена машина “Колосс”.

Эти и ряд других первых ЭВМ не имели важнейшего с точки зрения конструкто­ров последующих компьютеров качества – программа не хранилась в памяти машины, а набиралась достаточно сложным образом с помощью внешних комму­тирующих устройств.

Огромный вклад в теорию и практику создания электронной вычислительной техники на начальном этапе ее развития внес один из крупнейших американских математиков Джон фон Нейман. В историю науки навсегда вошли “принципы фон Неймана”. Совокупность этих принципов породила классическую (фон-неймановскую) архитектуру ЭВМ. Один из важнейших принципов – принцип хранимой программы – требует, чтобы программа закладывалась в память машины так же, как в нее закладывается исходная информация. Первая ЭВМ с хранимой программой (EDSAC) была построена в Великобритании в 1949 г.

В нашей стране вплоть до 70-х годов создание ЭВМ велось почти полностью самостоятельно и независимо от внешнего мира. Дело в том, что электронная вычислительная техника с самого момента своего первоначального создания рассматривалась как сверхсекретный стратегический продукт, и СССР приходилось разрабатывать и производить ее самостоятельно. Постепенно режим секретности смягчался, но и в конце 80-х годов наша страна могла покупать за рубежом лишь устаревшие модели ЭВМ (а самые современные и мощные компьютеры ведущие производи­тели – США и Япония – и сегодня разрабатывают и производят в режиме секрет­ности).

Первая отечественная ЭВМ – МЭСМ (“малая электронно-счетная машина”) была создана в 1951 г. под руководством Сергея Александровича Лебедева, круп­нейшего советского конструктора вычислительной техники, впоследствии академи­ка, лауреата государственных премий, руководившего созданием многих отечест­венных ЭВМ. Рекордной среди них и одной из лучших в мире для своего времени была БЭСМ-6 (“большая электронно-счетная машина, 6-я модель”), созданная в середине 60-х годов и долгое время бывшая базовой машиной в обороне, космиче­ских исследованиях, научно-технических исследованиях в СССР. Кроме машин серии БЭСМ выпускались и ЭВМ других серий – “Минск”, “Урал”, М-20, “Мир” и другие, созданные под руководством И.С.Брука и М.А.Карцева, Б.И.Рамеева, В.М.Глушкова, Ю.А.Базилевского и других отечественных конструкторов и теоретиков информатики.

3.2. Классическая архитектура ЭВМ

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г.Голдстайном и А.Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. В 1946 г. ученые изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье “Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства”. С тех пор прошло полвека, но выдвинутые в ней положения сохраняют актуальность и сегодня.

В статье убедительно обосновывается использование двоичной системы для представления чисел (ранее все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Авторы убедительно проде­монстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. В дальнейшем ЭВМ стали обрабатывать и нечисловые виды информации – тексто­вую, графическую, звуковую и другие, но двоичное кодирование данных по-прежнему составляет информационную основу любого современного компьютера.

Еще одной поистине революционной идеей является предложенный Нейманом принцип “хранимой программы”. Перво­начально программа задавалась путем установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ENIAC требовалось несколько дней (в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут – выходили из строя лампы). Нейман первым догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц, причем в той же самой памяти, что и обрабатываемые ею числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений.

Фон Нейман не только выдвинул основополагающие принципы логического устройства ЭВМ, но и предложил ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками, по Нейману, являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (обычно объеди­няемые в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода. Схема устройства такой ЭВМ представлена на рис. 3.7.

Устройство управления и арифметико-логическое устройство в современных компьютерах объединены в один блок – процессор, являющийся преобразователем информации, поступающей из памяти и внешних устройств (сюда относятся выбор­ка команд из памяти, кодирование и декодирование, выполнение различных, в том числе и арифметических, операций, согласование работы узлов компьютера).

Рис. 3.1. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана. (Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальным узлам ЭВМ).

Память (ЗУ) хранит информацию (данные) и программы. Запоминающее уст­ройство у современных компьютеров “многоярусно” и включает оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), хранящее ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время (исполняемая программа, часть необхо­димых для нее данных, некоторые управляющие программы), и внешние запоми­нающие устройства (ВЗУ) гораздо большей емкости, чем ОЗУ, но с существенно более медленным доступом. На ОЗУ и ВЗУ классификация устройств памяти не закан­чивается – определенные функции выполняют и СОЗУ (сверхоперативное запоми­нающее устройство), и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), и другие подвиды компьютерной памяти.

Внешняя память отличается от устройств ввода и вывода тем, что данные в нее заносятся в виде, удобном компьютеру, но недоступном для непосредственного восприятия человеком. Так, накопитель на магнитных дисках относится к внешней памяти, а клавиатура – устройство ввода, дисплей и печать – устройства вывода.

Для построения запоминающих устройств в качестве физических эле­ментов используют электронные схемы, ферритовые магнитные материалы, магнитные ленты и диски, оптические запоминающие элементы и т. д.

В построенной по описанной схеме ЭВМ происходит последовательное считы­вание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специаль­ным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие также является одним из характерных признаков рассматриваемой архитектуры.

Подавляющее большинство вычислительных машин на сегодняшний день – фон-неймановские машины. Исключение составляют лишь отдельные разновидности систем для параллельных вычислений, в которых отсутствует счетчик команд, не реализована классическая концепция переменной и имеются другие существенные принципиальные отличия от классической модели (примерами могут служить потоковая и редукционная вычислительные машины).

3.3. Характеристика основных блоков ЭВМ

ЭВМ включает три основных устройства: системный блок, клавиа­туру и дисплей (монитор). Однако для расширения функциональных возможностей ЭВМ можно подключить различные дополнительные периферийные устройства, в частности: печатающие устройства (прин­теры), накопители на магнитной ленте (стримеры), различные манипу­ляторы (мышь, джойстик, трекбол, световое перо), устройства оп­тического считывания изображений (сканеры), графопостроители (плот­теры) и др.

ЭВМ, как правило, имеет модульную структуру (рис. 3.8). Все модули связаны с системной магистралью (шиной).

Системный блок. Главный блок ЭВМ включает в свой со­став центральный микропроцессор, сопроцессор, модули оперативной и постоянной памяти, контроллеры, накопители на магнитных дисках и другие функциональные модули. Набор модулей определяется типом ЭВМ. Пользователи по своему желанию могут изменять конфигура­цию ЭВМ, подключая дополнительные периферийные устройства.

В системный блок может быть встроено звуковое устройство, с по­мощью которого пользователю удобно следить за работой машины, во­время обращать внимание на возникшие сбои в отдельных устройствах или на возникновение необычной ситуации при решении задачи на ЭВМ. Со звуковым устройством часто связан таймер, позволяющий вести отсчет времени работы машины, фиксировать календарное время, указывать на окончание заданного промежутка времени при выполне­нии той или иной задачи.

Микропроцессор (МП). Центральный микропроцессор является ядром любой ЭВМ. Он выполняет функции обработки информации и управ­ления работой всех блоков ЭВМ. В состав МП входят:

· арифметико-логическое устройство,

· центральное устройство управления,

· внутренняя регистровая память,

· кэш-память,

· схема обращения к оперативной памяти,

· схемы управления системной шиной и др.

Рис 3.2. Структурная схема ЭВМ с периферийными устройствами. (АЛУ– арифметико-логическое устройство, УУ– устройство управления, ПП – постоянная память, ОП – оперативная память, ВУ– внешнее устройство, НГМД – накопитель на гибких магнитных дисках, НЖМД – накопитель на жестких маг­нитных дисках, НМЛ – накопитель на магнитной ленте, ПУ– печатающее устройство).

Рассмотрим структуру и функционирование микропроцессора на примере разработанной модели фирмы Intel.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – функциональная часть ЭВМ, которая выполняет логические и арифметические действия, необходи­мые для переработки информации, хранящейся в памяти. Оно характеризует­ся: временем выполнения элементарных операций; средним быстродействи­ем, т.е. количеством арифметических или логических действий (операций), выполняемых в единицу времени (секунду); набором элементарных дейст­вий, которые оно выполняет. Важной характеристикой АЛУ является также система счисления, в которой осуществляются все действия.

АЛУ выполняет логические операции, а также арифметические опе­рации в двоичной системе счисления и в двоично-десятичном коде, причем арифметические операции над числами, представленными в форме с плавающей точкой, реализуются в специальном блоке. В некоторых конфигурациях с этой целью используется арифметический сопро­цессор. Он имеет собственные регистры данных и управления, работает параллельно с центральным МП, обрабатывает данные с плавающей точкой.

Память микропроцессора состоит из функциональных регистров: регистры обще­го назначения, указатель команд, регистр флагов и регистры сегментов.

Регистр – внутренне запоминающее устройство процессора для временного хранения обрабатываемой или управляющей информации и быстрого доступа к ней.

Регистры общего назначения используются для хранения данных и адресов. Они обеспечивают работу с данными и адресами. Каж­дый из таких регистров имеет свое имя.

Указатель команд содержит смещение при определении адреса следующей команды.

Регистр флагов указывает признаки результата выполнения команды.

Регистры сегментов содержат значения селекторов сегментов, опре­деляющих текущие адресуемые сегменты памяти.

Кроме того, регистровая память МП содержит регистры процессора обработки чисел с плавающей точкой, системные и некото­рые другие регистры.

Производительность микропроцессора значительно повышается за счет буферизации часто используемых команд и данных во внутренней кэш-памяти, при этом сокращает­ся число обращений к внешней памяти. Кэш-память – сверхоперативная буферная память, предназначенная для промежуточного хранения наиболее часто используемых процессором данных. Внутренняя кэш-память имеет несколько режимов работы, что обеспечивает гибкость отладки и вы­полнения рабочих программ.

Устройство управления микропроцессорного типа обеспечивает конвейерную обработку данных с помощью блока предварительной вы­борки (очереди команд).

Устройство управления МП обеспечивает многозадачность. Много­задачность – способ организации работы ЭВМ, при котором в ее па­мяти одновременно содержатся программы и данные для выполнения нескольких задач. В составе современных МП имеются аппаратно-программные средства, позволяющие эффективно организовать многозадачный ре­жим, в том числе системы прерывания и защиты памяти.

Система прерываний обрабатывает запросы на прерывание как от внешних устройств, так и от внутренних блоков МП. Прерывание – временное прекращение выполнения команд программы с сохранением информации о ее текущем состоянии и передачей управления специальной программе – обработчику прерываний. Поступление за­проса на прерывание от внутреннего блока МП свидетельствует о воз­никновении исключительной ситуации, например о переполнении раз­рядной сетки. Внешнее прерывание может быть связано с обслуживани­ем запросов от периферийных устройств. Требуя своевременного обслу­живания, внешнее устройство посылает запрос прерывания МП. МП в ответ приостанавливает нормальное выполнение текущей программы и переходит на обработку этого запроса, чтобы в дальнейшем выполнить определенные действия по вводу-выводу данных. После совершения та­ких действий происходит возврат к прерванной программе.

Защита памяти от несанкционированного доступа в многозадачном режиме осуществляется с помощью системы привилегий, регулирующих доступ к тому или иному сегменту памяти в зависимости от уровня его защищенности и степени важности.

Обмен информацией между блоками МП происходит через магист­раль микропроцессора, включающую шину адреса, двунаправленную шину данных и шину управления.Шина – устройство, служащее для передачи данных и управляющих сигналов между компонентами компьютера. Шина состоит из линий электрических соединений.

Шина адреса используется для передачи адресов ячеек памяти и реги­стров для обмена информацией с внешними устройствами.

Шина данных обеспечивает передачу информации между МП, памя­тью и периферийными устройствами. Шина двунаправленная, т.е. позволяет осуществлять пересылку данных как в прямом, так и в обратном на­правлении.

Шина управления предназначена для передачи управляющих сигна­лов – управления памятью, управления обменом данных, запросов на прерывание и т.д.

Системная магистраль выполняется в виде совокупности шин (кабелей), используемых для передачи данных, адресов и управляющих сигналов. Количество линий в адресно-информационной шине определя­ется разрядностью кодов адреса и данных, а количество линий в шине управления – числом управляющих сигналов, используемых в ЭВМ.

Внутренняя память ЭВМ состоит из оперативной памяти и посто­янной памяти.

Оперативная память (ОП) (или оперативное запоминающее устройство – ОЗУ) – функциональная часть ЭВМ, предназначенная для хранения и (или) выдачи входной информации, про­межуточных и окончательных результатов, вспомогательной информации. В памяти машины находятся также программы решения задач, через ко­манды которых осуществляется управление работой всей машины. Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. Оперативная память является энергозависимой: при отключении питания информация в ОП теряется.

С точки зрения физического принципа действия различают дина­мическую память и статическую память. Ячейки динамической памяти можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Недостатком этого типа является то, что заряды ячеек имеют свойство рассеи­ваться в пространстве. Для этого в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы. Ячейки статической памяти можно представить как электронные микро­элементы – триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.

Основные параметры, характеризующие память, – емкость и время обращения к памяти.

Емкость памяти – количество байт информации, которое можно за­писать в памяти. При этом словом является упорядоченная последователь­ность символов алфавита конечной длины. Ячейка памяти – часть памяти, содержащая слово.

Емкость памяти можно выразить количеством содержащихся в ней слов или ячеек. Длина ячейки памяти измеряется количеством битов (один бит равен одному двоичному разряду) или байтов (один байт содержит во­семь битов). Ячейка памяти может вмещать информацию разной длины или разного формата. Формат измеряется словом, двойным словом или полусловом в зависимости от принятого для данной ЭВМ способа представле­ния информации.

Время обращения – интервал времени между началом и окончанием ввода (вывода) информации в память (из памяти). Оно характеризует затра­ты времени на поиск места и запись (чтение) слова в память (из памяти).

Постоянная память (ПП). Эта память предназначена только для чтения. Она не является энергозависимой, ис­пользуется для хранения системных программ, в частности так называе­мой базовой системы ввода-вывода (BIOS – Basic Input and Output System), вспомогательных программ и т.п. Программы, хранящиеся в ПП, предназначены для постоянного использования МП.

Контроллеры (К) служат для управления внешними устройствами (ВУ). Каждому ВУ соответствует свой контроллер. Электронные моду­ли-контроллеры реализуются на отдельных печатных платах, вставляе­мых внутрь системного блока. Такие платы часто называют адаптерами ВУ (от адаптировать – приспосабливать). После получения команды от МП контроллер функционирует автономно, освобождая МП от выпол­нения специфических функций, требуемых для того или другого кон­кретного ВУ.

Контроллер содержит регистры двух типов – регистр состояния (управления) и регистр данных. Эти регистры часто называют портами ввода-вывода. За каждым портом закреплен определенный номер – адрес порта. Через порты пользователь может управлять ВУ, используя ко­манды ввода-вывода. Программа, выполняющая по обращению из ос­новной выполняемой программы операции ввода-вывода для конкрет­ного устройства или группы устройств ЭВМ, входит в состав ядра операционной системы ЭВМ.

Для ускорения обмена информацией между МП и внешними устрой­ствами в ЭВМ используется прямой доступ к памяти (ПДП). Контрол­лер ПДП, получив сигнал запроса от внешнего устройства, принимает управление обменом на себя и обеспечивает обмен данными с ОП, минуя центральный МП. В это время микропроцессор продолжает без преры­вания выполнять текущую программу. Прямой доступ к памяти, с одной стороны, освобождает МП от непосредственного обмена между памятью и внешними устройствами, а с другой стороны, позволяет значительно быстрее по сравнению с режимом прерываний удовлетворять запросы на обмен.

3.4. Основной цикл работы ЭВМ

Рассмотрим последовательность действий при вы­полнении команды в ЭВМ. Рабочий цикл в общем виде одинаков для всех фон-неймановских машин.

Важной составной частью фон-неймановской архи­тектуры является счетчик адреса команд. Этот специальный внутренний регистр процессора всегда указывает на ячейку памяти, в которой хранится следующая команда программы. При включении питания или при нажатии на кнопку сброса (начальной установки) в счетчик аппаратно заносится стартовый адрес находящей­ся в ПЗУ программы инициализации всех устройств и начальной загрузки. Даль­нейшее функционирование компьютера определяется программой. Таким образом, вся деятельность ЭВМ – это непрерывное выполнение тех или иных программ, причем программы эти могут в свою очередь загружать новые программы и т.д.

Каждая программа состоит из отдельных машинных команд. Каждая машинная команда, в свою очередь, делится на ряд элементарных унифицированных состав­ных частей, которые принято называть тактами. В зависимости от сложности команды она может быть реализована за разное число тактов. Например, пересыл­ка информации из одного внутреннего регистра процессора в другой выполняется за несколько тактов, а для перемножения двух целых чисел их требуется на порядок больше. Существенное удлинение команды происходит, если обрабатываемые данные еще не находятся внутри процессора и их приходится считывать из ОЗУ.

При выполнении каждой команды ЭВМ проделывает определенные стандарт­ные действия:

1) согласно содержимому счетчика адреса команд, считывается очередная ко­манда программы (ее код обычно заносится на хранение в специальный регистр УУ, который носит название регистра команд);

2) счетчик команд автоматически изменяется так, чтобы в нем содержался адрес следующей команды (в простейшем случае для этой цели достаточно к текущему значению счетчика прибавить некоторую константу, определяющуюся длиной команды);

3) считанная в регистр команд операция расшифровывается, извлекаются необ­ходимые данные и над ними выполняются требуемые действия.

Затем все описанные действия циклически повторяются.

Рассмотренный основной алгоритм работы ЭВМ позволяет шаг за шагом вы­полнить хранящуюся в ОЗУ линейную программу. Если же требуется изменить порядок вычислений для реализации развилки или цикла, достаточно в счетчик команд занести требуемый адрес.

В современных компьютерах для ускорения основного цикла выполнения команды используется метод конвейеризации (иногда применяется термин “опережающая выборка”). Идея состоит в том, что несколько внутренних устройств процессора работают парал­лельно: одно считывает команду, другое дешифрует операцию, третье вычисляет адреса используемых операндов и т.д. В результате по окончании команды чаще всего оказывается, что следующая уже выбрана из ОЗУ, дешифрована и подготов­лена к исполнению. Отметим, что в случае нарушения естественного порядка выполнения команд в программе (например, при безусловном переходе) опере­жающая выборка оказывается напрасной и конвейер очищается. Следующая за переходом команда выполняется дольше, так как чтобы конвейер “заработал на полную мощность”, необходимо его предварительно заполнить. Иными словами, в конвейерной машине время выполнения программы может зависеть не только от составляющих ее команд, но и от их взаимного расположения.

3.5. Накопители информации

Данные могут храниться и транспортироваться на носителях различных видов. Самым распространенным носителем данных, по-видимому, является бумага. На бумаге данные регистрируются путем изменения опти­ческих характеристик ее поверхности. В качестве носителей, исполь­зующих изменение магнитных свойств, можно назвать магнитные ленты и диски. Регистрация данных путем изменения химического состава поверхностных веществ носителя широко используется в фотографии. На биохимическом уровне происхо­дит накопление и передача данных в живой природе.

Для хранения программ и данных в пер­сональных компьютерах используют различного рода накопители, общая емкость которых, как правило, в сотни раз превосходит емкость оперативной памяти. По отношению к компьютеру нако­пители могут быть внешними и встраиваемыми (внутренними).

В первом случае такие устройства имеют собственный корпус и ис­точник питания, что экономит пространство внутри корпуса ком­пьютера и уменьшает нагрузку на его блок питания. Встраиваемые накопители крепятся в специальных мон­тажных отсеках (drive bays) и позволяют создавать компакт­ные системы, кото­рые совмещают в системном блоке все необходимые устрой­ства.

Сам накопитель можно рассматривать как совокупность носи­теля и соответствующего привода. В связи с этим различают на­копители со сменным и несменным носителями. В зависимости от типа носителя все накопители можно подразделить на нако­пители на магнитной ленте и дисковые накопители. Накопители на магнитной ленте, в свою очередь, бывают двух видов: накопи­тели на полудюймовых девятидорожечных лентах, работающие в старт-стопном режиме, и стримеры, работающие в потоковом (инерционном) режиме.

Накопители на магнитной ленте назы­вают также устройствами последовательного доступа, так как об­ратиться к удаленным фрагментам данных можно только после считывания менее удаленных. Накопители же на дисках, как пра­вило, являются устройствами произвольного доступа, поскольку интересующие данные могут быть получены без обязательного прочтения им предшествующих.

По способу записи и чтения информации на носитель дисковые накопители можно подразделить на магнитные, оптические и маг­нитооптические. Среди дисковых накопителей можно выделить:

- накопители на флоппи-дисках;

- накопители на флоптических дисках;

- накопители на несменных жестких дисках (винчестеры);

- накопители на сменных жестких дисках;

- накопители на магнитооптических дисках;

- накопители на оптических дисках с однократной записью и многократным чтением CD-R;

- накопители на оптических дисках с многократной записью и многократным чтением CD-RW;

- накопители на оптических компакт-дисках CD-ROM (Compact Disk ROM).

Флоппи-диски

Информация на жестком диске может храниться годами, однако иногда требуется ее перенос с одного компьютера на другой. Несмотря на свое название, жесткий диск является весьма хрупким прибором, чувствительным к перегрузкам, ударам и толчкам. Теоретически, переносить информацию с одного рабочего места на другое путем переноса жесткого диска возможно, и в некоторых случаях так и поступают, но все-таки этот прием считается нетехнологичным, поскольку требует особой акку­ратности и определенной квалификации.

Для оперативного переноса небольших объемов информации используют так называемые гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляют в специальный накопитель — дисковод. Приемное отверстие накопителя находится на лицевой панели системного блока. Правильное направление подачи гибкого диска отмечено стрелкой на его пластиковом кожухе.

Основными параметрами гибких дисков являются: технологический размер (изме­ряется в дюймах), плотность записи (измеряется в кратных единицах) и полная емкость.

Первый компьютер IBM PC (родоначальник платформы) был выпущен в 1981 году. К нему можно было подключить внешний накопитель, использующий односто­ронние гибкие диски диаметром 5,25 дюйма. Емкость диска составляла 160 Кбайт. Гибкие диски размером 3,5 дюйма выпускают с 1980 года. Односторонний диск обычной плотности имел емкость 180 Кбайт, двусторонний — 360 Кбайт, а двусто­ронний двойной плотности — 720 Кбайт. Ныне стандартными считают диски раз­мером 3,5 дюйма высокой плотности. Они имеют емкость 1440 Кбайт (1,4 Мбайт) и маркируются буквами HD (high density — высокая плотность).

С нижней стороны гибкий диск имеет центральную втулку, которая захватывается шпинделем дисковода и приводится во вращение. Магнитная поверхность при­крыта сдвигающейся шторкой для защиты от влаги, грязи и пыли. Если на гибком диске записаны ценные данные, его можно защитить от стирания и перезаписи, сдвинув защитную задвижку так, чтобы образовалось открытое отверстие.

Для раз­решения записи задвижку перемещают в обратную сторону и перекрывают отверстие. В некоторых случаях для безусловной защиты информации на диске задвижку выла­мывают физически, но и в этом случае разрешить запись на диск можно, если, напри­мер, заклеить образовавшееся отверстие тонкой полоской липкой ленты.

Гибкие диски считаются малонадежными носителями информации. Пыль, грязь, влага, температурные перепады и внешние электромагнитные поля очень часто становятся причиной частичной или полной утраты данных, хранившихся на гибком диске. Поэтому использовать гибкие диски в качестве основного средства хранения информации недопустимо. Их используют только для транспортировки информа­ции или в качестве дополнительного (резервного) средства хранения.

Сменные диски

Уже давно желанием многих пользователей является возможность размеще­ния больших объемов данных на малогабаритных носителях. Дискеты долгое время были именно такой «медленной средой» для запоминания информа­ции. Однако при работе с графикой становится заметно, что для размещения файлов на дискетах необходимо столько же времени, сколько понадобилось для их создания.

Сменный жесткий диск помог решить эту проблему. Этот носитель обычно используется для двух целей:

 Периодическое сохранение данных на внешнем носителе.

 Обмен информацией. Сменные жесткие диски являются надежным, бы­стрым и комфортабельным средством обмена информацией.

У сменного винчестера переносным является не только носитель информа­ции, но и фактически весь дисковод, который вынимается из своих направ­ляющих в корпусе PC. Для извлечения дисковода на передней панели имеется специальная ручка. С обратной его стороны находится адаптер, который обычно обеспечивает силовое питание и связь для приема-передачи данных.

Стример

Стример как и сменный жесткий диск, можно приобрести в виде внутренне­го или внешнего периферийного устройства. В качестве носителя информа­ции стример использует магнитную ленту, которая похожа на ленту в обыч­ной аудиокассете.

Стримеры в основном используются для архивации и резервного копирова­ния больших объемов данных на компактные носители. Недостатком является малая скорость передачи информации. Она значительно ниже, чем у винчестеров и сменных жестких дисков. Поэтому стримеры нельзя рекомендовать для использования в других целях, кроме как для резервного копирования информации.

В качестве стандарта для стримера выбран стандарт QIC (Quarter Inez Car­tridge Drive Standard). Только благодаря этому стандарту стало возможным ус­танавливать различные ленты на различные приводы и достигать программ­ной совместимости при работе с ними.

Магнитооптические накопители

Магнитооптические накопители уже получили достаточно широкое распространение. Однако не настолько широкое, как хотелось бы, из-за их соотношения цена/производительность.

Floptical – состав­ное слово, образованное от слов Floppy-диск и Optical-диск. Принцип работы этого привода ясен из названия. Floptical имеет размер 3,5" и может быть прочитан или записан на внешнем или внутреннем дисководе. Емкость таких накопителей достигает нескольких десятков мегабайт. При опти­ческом чтении дорожек запись осуществляется обычными магнитными сред­ствами, как у дискет.

Накопители Floptical не могут пробить себе «место под солнцем» по двум причинам:

 Из-за предварительного оптического форматирования эти диски почти в пять раз дороже, чем дискеты.

 Из-за низкой скорости вращения привода (720 об/мин) данные считы­ваются со скоростью примерно 100 Кбайт/с.

И, кроме того, альтернативные сменные накопители по соотношению цена/ емкость все еще значительно лучше.

МО-привод (Magneto-Optical— магнитооптический) представляет собой нако­питель информации, в основу которого, как уже ясно из названия, положен магнитный носитель с оптическим (лазерным) управлением.

Принцип устройства МО-носителя подобен CD-ROM. Но между слоем носи­теля и рефлектора нанесено дополнительное напыление, которое реагирует как на оптическое, так и на магнитное воздействие. В качестве головки запи­си/чтения служит лазер, который нагревает отдельные участки поверхности до температуры около 150°С. Благодаря этому элементы промежуточного слоя взаимодействуют друг с другом и после охлаждения намагничиваются. Этот процесс можно повторять любое количество раз, потому что поверхность и слой носителя защищены. Второй лазер предназачен для чтения информации.

Емкость МО-привода подобна CD-ROM. Время доступа равно 70 мс. Средняя скорость передачи данных может достигать 700 Кбайт/с.

Единственным недостатком МО-накопителей является их цена. Она все еще достаточно высока.

Накопители на гибких магнитных дисках Zip

К малогабаритным устройствам резервного копирования относятся накопи­тели Zip на сменных гибких магнитных дисках, разработанные фирмой Iomega. Картридж накопителя Zip содержит гибкие магнитные диски, обес­печивающие хранение данных объемом до 250 Мбайт. Причем сам накопи­тель, использующий такой картридж, может быть внешним или встраивае­мым.

Эти устройства базируются на традиционной технологии магнитных носите­лей, но имеют более совершенную систему позиционирования головок запи­си/чтения и надежную механику привода.

Приводы Zip имеют хорошее соотношение цена/производительность и превосходят по своим характеристикам все имеющиеся сегодня накопители со сменными носителями.

В накопителях Zip предусмотрена функция введения пароля, что позволит хранить конфиденциальную информацию.

Накопители на оптических компакт-дисках CD-ROM

В период 1994-1995 годах в базовую конфигурацию персональных компьютеров перестали включать дисководы гибких дисков диаметром 5,25 дюйма, но вместо них стандартной стала считаться установка дисковода CD-ROM, имеющего такие же внешние размеры.

Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) перево­дится на русский язык как посто­янное запоминающее устройство на основе компакт-диска.

Компакт диск – оптический или магнитно-оптический диск, предназначенный для записи и чтения цифровых данных при помощи лазерного луча.

Прин­цип действия этого устройства состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверх­ности диска. Цифровая запись на компакт-диске отлича­ется от записи на магнитных дис­ках очень высокой плотностью, и стандартный компакт-диск может хранить примерно 650 Мбайт данных.

Большие объемы данных харак­терны для мультимедийной информации (графика, музыка, видео), поэтому дисководы CD-ROM относят к аппаратным сред­ствам мультимедиа. Программные продукты, распространяемые на лазерных дисках, называют мультимедийными изданиями. Сегодня мультимедийные издания завоевывают все более прочное место среди других традиционных видов изданий. Так, например, существуют книги, аль­бомы, энциклопедии и даже периодические издания (электронные журналы), выпус­каемые на CD-ROM.

Основным недостатком стандартных дисководов CD-ROM является невозможность записи данных, но параллельно с ними существуют и устройства однократной записи CD-R (Compact Disk Recorder), и устройства многократной записи CD-RW.

Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных. Она измеряется в кратных долях. За единицу измерения принята скорость чтения в первых серийных образцах, составлявшая 150 Кбайт/с. Таким образом, дисковод с уд­военной скоростью чтения обеспечивает производительность 300 Кбайт/с, с учетве­ренной скоростью — 600 Кбайт/с и т. д. В настоящее время наибольшее распрост­ранение имеют устройства чтения CD-ROM с производительностью 32х-48х. Образцы устройств однократной записи имеют производительность 4х-8х, а устройств многократной записи — 4х.

Накопители DVD

Устройства для чтения дисков высокой плотности DVD-ROM по техническим характеристикам, объемам выпуска и цене достигли, наконец, степени полной готовности к быстрому и массовому внедрению в компьютеры любого уровня. Основные аргументы в пользу приводов DVD заключаются в том, что они способны полностью заменить CD-ROM при ненамного более высокой стоимости и дают при этом, кроме выполнения обычных функций (чтение дисков CD-ROM, CD-R и CD-RW), множество дополнительных возможностей: чтение дисков DVD-ROM (объем информации от 4.7 Гб до 17 Гб) и видео DVD (высококачественное видео в формате MPEG-2 и многоканальный звук), а в ближайшей перспективе – воспроизведение звуковых дисков нового формата DVD Audio. На DVD носителях появились программные продукты (энциклопедии, игры), не говоря уже об огромном количестве фильмов.

Диск DVD имеет такой же диаметр, как и обычные компакт-диски, однако это уже не одинарный диск толщиной 1,2 мм. Он состоит из двух отдельных дисков толщиной 0,6 мм каждый, со­единенных между собой своими тыльными сторонами. Благодаря такой структуре информационный слой, с которого производится считывание данных, удален от внешней поверхности только на 0,6 мм вместо прежних 1,2 мм. Это обеспечивает более точную фокусировку лазера для чтения более плотно расположенных данных.

CD-RW и CD-R

Приводы CD-R позволяют считывать данные с компакт-дисков и делать запись только на одноразовые (Recordable) диски. Устройства CD-RW (ReWritable) позволяют осуществлять запись на многоразовые, перезаписываемые диски и более универсальны, чем CD-R.

На диск CD-R можно последовательно добавлять новые файлы или их новые версии, но когда он заполнится, нельзя удалить старые файлы, чтобы высвободить место. Накопитель типа CD-RW позволяет работать с диском CD-RW во многом так же, как с любым другим носителем информации, – т.е. обновлять и удалять файлы по мере необходимости.

Помимо относительно низкой стоимости самого устройства, рост их популярности обусловило то, что с увеличением объема используемых программ, баз данных, развитием мультимедийных технологий возникла потребность в архивировании и резервном хранении больших объемов информации (десятки-сотни мегабайт).

Скорость записи, перезаписи и чтения указывается в единицах, кратных стандартной скорости аудиозаписи (153.8 Кб/с), например, 4х. Маркировка CD-RW 4 x 8 x 32 означает, что скорость перезаписи, записи на одноразовых дисках и чтения равна 4, 8 и 32 соответственно. Иногда встречается маркировка типа 16 х 10 х 40, но всегда наименьшее число обозначает скорость перезаписи (rewrite).

Накопители на жестком диске

Эволюция персональных компьютеров связана с изменениями накопителей на жестких дисках. Первые ЭВМ не имели таких накопителей.

Наименование диска — жесткий — подчеркивает его отличие от гибкого дис­ка: магнитное покрытие наносится на жесткую подложку. Термин же­сткий диск (hard disk) используется, в основном, в англоязычных странах. Пер­вый накопитель на жестких дисках был создан в 1973 г. по технологии фирмы IBM и имел кодовое обозначение «30/30» (двусторонний диск емкостью 30 + 30 Мбайт). Это кодовое обозначение совпадало с обозначением калибра леген­дарного охотничьего ружья «винчестер», использовавшегося при завоевании Дикого Запада. Такие же намерения были и у разработчиков жесткого диска; наименование «винчестер» получило широкое распространение. Винчестер – жесткий магнитный диск, располагающийся внутри центрального блока и предназначенный для долговременного хранения информации (см. рис. 3.7.).

Рис. 3.7. Основные элементы накопителя на жестких дисках

Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидите только прочный ме­таллический корпус. Он полностью герметичен и защищает дисковод от час­тичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой и поверх­ностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагни­тных помех.

Дисковод – устройство, которое содержит механизмы для вращения магнитного диска и перемещения головки чтения и записи по его поверхности.

Головка считывания-записи – магнитная головка, позволяющая осуществлять чтение и запись данных на диск.

Внутри корпуса находятся все механизмы и некоторые электронные узлы.

Механизмы – это сами диски, на которых хранится информация, головки, ко­торые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие все это в движение.

Диск представляет собой круглую металлическую пластину с очень ровной поверхностью, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Технология его на­несения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем.

Количество дисков может быть различным, количество рабочих поверхностей, соответственно, вдвое больше (по две на каждом ди­ске). Последнее (как и материал, использованный для магнитного покрытия) определяет емкость жесткого диска. Иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них) не используются, что позволяет уменьшить вы­соту накопителя, но при этом количество рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Принцип записи в общем схож с тем, который используется в обычном магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, посту­пающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и «запомнить».

Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших облас­тей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. Для наглядности пред­ставьте себе, что диск покрыт слоем очень маленьких стрелок от компаса, направленных в разные стороны. Такие частицы-стрелки называются домена­ми. Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением.

После прекраще­ния действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточ­ной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск инфор­мация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности.

Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двига­телем, компактно расположенным под ним. Для того чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера до­лжен иметь запас по пиковой мощности.

Головки пере­мещаются с помощью прецизионного шагового двигателя и как бы «плывут» на расстоянии в доли микрона от поверхности диска, не касаясь его. Держатель головки представляет собой крыло, парящее над поверхностью, благодаря тому, что поверхность увлекает с собой частицы воздуха, создавая таким образом, набегающий на крыло поток. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками.

Дорожка – концентрическое кольцо на поверхности магнитного диска, на которое записываются данные.

Сектор – деление дисковых дорожек, представляющее собой основ­ную единицу размера, используемую накопителем. Секторы обычно содер­жат по 512 байтов.

Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех по­верхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя перемещаются од­новременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми но­мерами.

Число дисков, головок и дорожек накопителя устанавливается изготовите­лем исходя из свойств и качества дисков. Изменить эти характеристики нельзя. Количество секторов на диске зависит от метода записи. Зная размер сектора, всегда мож­но рассчитать общий объем накопителя:

V = C х H х S х B,

где: C – количество цилиндров,

H – количество головок,

S – количество секторов на дорожку,

B – размер сектора.

Описанное выше деление называется низкоуровневым (LowLewel) форма­тированием. Такое форматирование нижнего уровня чаще всего выполняет изготовитель, используя специальные программные средства или команды операционной системы. Перед первым использованием дисков необходимо произвести их логическое форматирование – специальным образом инициализировать их (с помощью программы format).

Логическая структура диска определяется стандартом той или иной операционной системы. Группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер – это несколько секторов, рассматриваемых операционной системой как единое целое. Кластер является наименьшей единицей адресации к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емкости диска.

Жесткий диск может быть разбит на несколько разделов (partition), которые в принципе затем могут использоваться либо одной ОС, либо различными ОС. Раздел – раздел памяти, выделяемый на жестком диске для определенного использования. На каждом разделе может быть органи­зована своя файловая система. Однако для организации даже одной-единственной файловой системы необходимо определить, по крайней мере, один раздел.

Логическая структура диска зависит от файловой системы (NTFS, FAT32 и т.д.). Основными составляющими логической структуры диска являются:

 Boot Record (загрузочная запись), отвечающая за загрузку в оперативную память основных модулей операционной системы. По физическому адресу [0-0-1] на винчестере располагается MBR (master boot record) – главная загрузочная запись. В загрузочной записи хранится информация о логических дисках и физические параметры диска.

 FAT (File allocation table) – таблица размещения файлов. FAT является линейной таб­личной структурой со сведениями о файлах — именами файлов, их атрибутами и другими данными, определяющими местонахождение файлов (или их фрагмен­тов). Элемент FAT определяет фактическую область диска, в кото­рой хранится начало физического файла. Таблица размещения файлов является очень важной информационной структу­рой. Можно сказать, что она представляет собой карту (образ) области данных, в которой описывается состояние каждого участка области данных – кластера. В таблице FAT кластеры, принадлежащие одному файлу, связываются в цепочки.

 Корневой каталог. Корневой каталог отличается от обычного каталога тем, что он, по­мимо размещения в фиксированном месте логического диска, еще имеет и фик­сированное число элементов.

 Область данных (содержимое всех файлов).

Хранение и извлечение данных с диска требует взаимодействия между опера­ционной системой, контроллером жесткого диска и электронными и механиче­скими компонентами самого накопителя.

Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство — контроллер жесткого диска. В прошлом оно представляло собой отдельную дочернюю плату, которую подключали к одному из свободных слотов материнской платы. В настоящее время функции контроллеров дисков выполняют микросхемы, входящие в микропроцессорный комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жестких дисков по-прежнему постав­ляются на отдельной плате.

К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность. Емкость дисков зависит от технологии их изготовления. В настоящее время боль­шинство производителей жестких дисков используют изобретенную компанией IBM технологию с использованием гигантского магниторезистивного эффекта (GMR — Giant Magnetic Resistance). Теоретический предел емкости одной пластины, исполнен­ной по этой технологии, составляет порядка 20 Гбайт. В настоящее время достигнут технологический уровень 6,4 Гбайт на пластину, но развитие продолжается.

С другой стороны, производительность жестких дисков меньше зависит от техноло­гии их изготовления. Сегодня все жесткие диски имеют очень высокий показатель скорости внутренней передачи данных, и потому их производи­тельность в первую очередь зависит от характеристик интерфейса, с помощью кото­рого они связаны с материнской платой.

Кроме скорости передачи данных с производительностью диска напрямую связан параметр среднего времени доступа. Он определяет интервал времени, необходимый для поиска нужных данных, и зависит от скорости вращения диска. Для дисков, вращающихся с частотой 5400 об/мин, среднее время доступа составляет 9-10 мкс, для дисков с частотой 7200 об/мин — 7-8 мкс. Изделия более высокого уровня обеспечивают среднее время доступа к данным 5-6 мкс.

Накопители на дисковых массивах RAID

В результате изысканий, проведенных различными фирмами, появилось самостоятельное направление разработки накопителей на жестких магнит­ных дисках — создание накопителей на дисковых массивах. Название RAID (Redundant Array of Independent Disks) переводится как “резервирующие массивы независимых дисков”. Идея RAID проста: несколько дисков, объединенных вместе, могут не только уве­личить объем накопителя, но и повысить надежность хранения информа­ции при возросшей скорости передачи данных. Такие системы целесооб­разно использовать для хранения огромных массивов данных, электронных библиотек и т. п. при совместной работе с мощным сервером (или несколь­кими серверами).

Массив дисков, будучи подключенным к компьютеру, распознается системой как один диск большой емкости. Отказоустойчивость дискового массива мо­жет быть увеличена за счет избыточности хранимой информации.

RAID-массив строится на основе распределения данных между дисками. Про­странство каждого диска разбивается на сегменты. Дисковое простран­ство RAID-массива представляет собой объединение сегментов всех дисков массива.

Архитектура построения и распределения дисковой памяти в устройствах RAID имеет несколько классов (уровней). На сегодняшний день существует девять уровней RAID-массивов, которые различаются по скорости, надежно­сти и стоимости изготовления. Наибольшее распространение получили уровни: нулевой, первый, второй и пятый. В меньшей степени распростране­ны третий, шестой и седьмой уровни.

В системе RAID уровня 0 (часто называемого уровнем чередования данных) информация каждого файла располагается на нескольких дисках. Однако при такой организации высока вероятность отказа. Иногда этот уровень называют дисковым массивом без дополнительной отказоустойчивости.

Дисковые массивы уровня 1 (зеркального дублирования дисков) имеют полный дубликат каждого диска, обеспечивая тем самым надежность хранения информации и быстродействие накопителя, но сто­имость таких массивов высока. Достоинства использования массивов RAID 1 состоят в следующем:

 скорость записи на зеркальные диски идентична скорости записи на один диск;

 скорость чтения данных в два раза выше, чем одного диска;

 Высокая скорость восстановления данных вследствие избыточности информации. Восстановление происходит путем копирования данных с одного диска на другой.

К недостаткам можно отнести низкий коэффициент использования дисково­го пространства (Кисп = 0.5).

Дисковые массивы уровня RAID 2 основаны на использовании алгоритма Хемминга для проверки/восстановления данных. Поток данных разбивается на отдельные слова, каждое слово, в свою очередь, разбивается на биты. Биты последовательно записываются на диски. Для каждого слова данных по алго­ритму Хемминга вычисляется значение корректирующего кода. Код Хемминга (назван именем Р. В. Хемминга) является корректирующим кодом, исправляющим одну ошибку в каждом кодовом слове. Вычисленные по алгоритму Хемминга контрольные суммы записываются на отдельный диск и используются для проверки данных при считывании. Дос­тоинствами технологии RAID 2 являются:

 оперативное исправление ошибок;

 высокая скорость передачи данных, увеличивающаяся с ростом числа дисков в массиве;

 возрастание коэффициента использования дискового пространства по мере увеличения числа дисков;

 относительно простое конструктивное исполнение.

Пятый уровень ориентирован на активную работу с дисками и обеспечивает максимальную скорость доступа к информации за счет использования независимых дисков данных и равномерного распределения контрольных сумм между дисками. Этот уровень находит наибольшее распространение в тех случаях, когда требуется достаточно высокая скорость передачи большого количества информационных файлов малого объема. Для RAID 5 характерно распределение информации контрольных данных, как минимум, по трем дискам.

3.6. Внешние устройства ЭВМ

Эффективность использования ЭВМ в большой степени определя­ется количеством и типами внешних устройств, которые могут приме­няться в ее составе. Внешние устройства обеспечивают взаимодействие пользователя с ЭВМ. Широкая номенклатура внешних устройств, раз­нообразие их технико-эксплуатационных и экономических характери­стик дают возможность пользователю выбрать такие конфигурации ЭВМ, которые в наибольшей мере соответствуют его потребностям и обеспечивают рациональное решение его задач.

Внешние устройства составляют до 80% стоимости ЭВМ и оказы­вают значительное (иногда даже решающее) влияние на характеристики машины в целом.

Конструктивно каждая модель ЭВМ имеет так называемый базо­вый набор внешних устройств – клавиатуру и дисплей. Пользователь, как правило, сам подбирает желательное ему печатающее устройство. В случае необходимости к ЭВМ могут подключаться также дополнительные внешние устройства, например сканеры, стримеры, плоттеры или диджитайзеры. В последние годы многие фирмы прилагают значительные усилия для разработки совершенно новых видов внешних устройств, ориентированных на стре­мительно растущие запросы пользователей, в частности для приложений в области мультимедиа.

Устройства ввода информации. Клавиатура (клавишное устройство) реализует диалоговое об­щение пользователя с ЭВМ:

· ввод команд пользователя, обеспечивающих доступ к ресурсам ЭВМ;

· запись, корректировку и отладку программ;

· ввод данных и команд в процессе решения задач.

Центральную часть клавиатуры обычно занимают клавиши букв латинского и русского алфавита, служебных знаков (!, ”,:, % и др.), а также цифровые клавиши. В большинстве случаев одна клавиша ис­пользуется для ввода нескольких разных знаков, причем переход меж­ду ними производится за счет одновременного нажатия соответствую­щей клавиши и одной и/или двух служебных функциональных клавиш (обычно – клавиш Shift, Alt, Ctrl). В большинстве моделей клавиатуры с правой стороны размещается дополни­тельная цифровая клавиатура, что создает удобства при необходимо­сти частого ввода чисел. По периферии клавиатуры размещаются слу­жебные функциональные клавиши: Enter, Esc, Delete, Insert, Tab и др., а также “программируемые” функциональные клавиши (F1 – F12). Функциональные клавиши в программах выполняют в основном спе­циальные операции. К примеру, клавиша Esc обычно означает “отмену” или “возврат”, клавиша Insert – “вставку” и т.п. Назначение программируемых функциональных клавиш F1 – F12 более гибко: оно, как правило, определяется в соответствующих программах и приво­дится в их документации. Служебные клавиши (Shift, Alt, Ctrl) и инди­каторы режимов (Print Screen, Caps Lock, Break) служат для пере­ключения назначения алфавитно-цифровых клавиш, вывода “образа экрана дисплея” на принтер, изменения режима работы и прерывания программ. Клавиши управления (<,>,^,v) необходимы для пози­ционирования курсора на экране дисплея. Ряд клавиш обеспечивают перемещение курсора в начальную или конечную позицию на строке экрана дисплея (Home, End), а также на страницу вперед или назад (PgUp и PgDn).

Клавиатура ЭВМ передает МП не код символа, а порядковый номер нажатой клавиши и продолжитель­ность времени каждого нажатия. Интерпретация смысла нажатой кла­виши выполняется программным путем. Таким образом, кодировка кла­виши оказывается независимой от кодировки символов, что значительно упрощает работу с клавиатурой.

Общение пользователя с ЭВМ облегчается с помощью различных манипуляторов. Наиболее распространенным из них является так назы­ваемая мышь. Мышь представляет собой небольшую коробочку с двумя или тремя клавишами и утопленным свободно вращающимся в любом направлении шариком на нижней поверхности. Коробочка под­ключается к компьютеру при помощи специального кабеля. Пользова­тель, перемещая мышь по поверхности стола (обычно для этого исполь­зуются специальные резиновые коврики), позиционирует указатель мы­ши (стрелку, прямоугольник) на экране дисплея, а нажатием клавиш вы­полняет определенное действие, связанное с соответствующей клавишей (например, выполняет определенный пункт меню) Мышь требует специальной программной поддержки.

В портативных ЭВМ мышь обычно заменяется особым, встроенным в клавиатуру, шариком на подставке с двумя клавишами по бокам, называемым трекбол. Позиционирование указателя трекбола на экране дисплея производится вращением этого шарика. Клавиши трекбола имеют то же значение, что и клавиши мыши. Несмотря на наличие трекбола, пользователь портативной ЭВМ может использовать и обычную мышь, подключив ее к соответствующему порту.

Для непосредственного считывания графической информации с бу­мажного или иного носителя в ЭВМ применяются оптические сканеры. Сканеры бывают настольные, позволяющие обрабатывать весь лист бу­маги или пленки целиком, а также ручные. Ручные сканеры проводят над нужными рисунками или текстом, обеспечивая их считывание. Вве­денный при помощи сканера рисунок распознается ЭВМ с помощью специального программного обеспечения. Рисунок может быть не толь­ко сохранен, но и откорректирован по желанию пользователя соответст­вующими графическими пакетами программ.

Для той же цели, т.е. для ввода рисунков в ЭВМ, может использо­ваться также световое перо и различные диджитайзеры.

К ручным манипуляторам относится и джойстик, представ­ляющий собой подвижную рукоять с одной или двумя кнопками, при по­мощи которой можно позиционировать указатель на экране дисплея. Кноп­ки имеют то же назначение, что и клавиши мыши. Джойстик использу­ется в первую очередь для игровых применений.

Поиск по сайту: