МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ»

Кафедра ИТ-4 «Персональные компьютеры и сети»

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой ИТ-4

______________/Михайлов Б.М./

"____"_______________2007 г.

ЛЕКЦИИ

По курсу

ИНТЕРФЕЙСЫ ПЕРЕФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ

для студентов 3 курса факультета ИТ

специальности 230101

«Вычислительные машины, комплексы, системы и сети»

Обсуждены на заседании кафедры

«___» _________________ 2007 г.

Протокол № _____

Москва, 2007

Лекция 1

Базовые вычислительные комплексы.

Понятие БВК следующий набор ТС:

- центральные аппаратные средства ЭВМ:

- внешние аппаратные средства ЭВМ.

К центральным аппаратным средствам относятся:

- центральный процессор (ЦП), предназначенный для преобразования информации в соответствии с выполняемой программой, управления вычислительным процессом и устройствами ЭВМ, работающими совместно с ЦП;

- оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), выполняющее функции хранения, приема и выдачи данных;

- устройства сопряжения (каналы и драйверы), управляющие обменом данных между ОЗУ, ЦП и внешними аппаратными устройствами.

К внешним аппаратным устройствам (ВАУ) относятся:

- внешние запоминающие устройства (ВЗУ), предназначенные для хранения больших объемов информации, организации баз данных на различных носителях;

- устройства ввода-вывода (УВВ), осуществляющие ввод исходной информации и документирование полученных проектных решений на различных носителях;

- устройства оперативного взаимодействия с ЭВМ, позволяющие пользователю реализовывать процедуры оперативной связи с ЭВМ в процессе проектирования.

Эффективность БВК во многом определяется параметрами его отдельных компонент и схемой их взаимодействия. Эта схема называется структурной схемой БВК.

Наиболее распостранены два варианта структурных схем:

1. Канальная, в которой связь ЦП с ВУ осуществляется специализированными процессорами- каналами в/в, а центральные устройства связанны непосредственно.

2. Магистральная (""общая шина""). В рамках этой структурной схемы все устройства (центральные и внешние) подключены к общей числовой магистрале (общей шине) и связаны между собой только посредством этой магистрали.

Преимущества и недостатки структурных схем.

Канальная схема требует значительных аппаратных затрат, но обеспечивает большие возможности по выполнению операций в/в (увеличение числа обслуживаемых устройств, повышение скорости обмена). БВК построенные по канальной схеме как правило ориентированы на решение задач, требующих одновременной работы большого числа пользователей (производительность процессора значительно выше скорости обработки информации в ВУ).

Магистральная схема эффективна в случае сравнимых значений быстродействия всех аппаратных средств БВК.

Рассмотренные схемы ориентированы на однопроцессорные БВК, составляющие основной парк современных ЭВМ.

Необходимость повышения производительности вызвало широкое использование параллельной обработки информации, что в свою очередь потребовало совершенствование и разработки новых структурных схем. Можно выделить две основные

цели их создания:

- повышение производительности;

- повышение надежности и живучести за счет резервирования.

В рамках ТС преследуется цель повышения производительности, которая достигается использованием многомашинных или многопроцессорных систем.

Многомашинные системы представляют совокупность нескольких ЭВМ и специальной аппаратуры и программного обеспечения, выполняющих операции обмена на уровне однотипных

устройств.

Для многомашинных систем характерен интенсивный обмен большими объемами информации, поэтому, как правило, с целью сокращения затрат используется общая для всех ЭВМ комплекса ОЗУ или ПЗУ.

Достоинством многомашинных систем является минимальный объем спец. оборудования. Однако многомашинные системы эффективны только в условиях постоянной и полной загрузки всех ЭВМ системы, что не всегда возможно.

В многопроцессорных системах процессоры рассматриваются как обычные устройства и могут включаться в состав системы в любом количестве. Отличие многопроцессорных систем от многомашинных заключается в совместном использовании всех аппаратных ресурсов. Связь между процессорами осуществляется по специальным высокоскоростным магистралям, аналогичным тем, что используются в БВК магистральной схемы.

Многопроцессорные и многомашинные системы в достаточной мере разнообразны по составу и структуре поэтому их классификация обычно проводится по следующим признакам:

1. По типу используемых ТС: однородные и неоднородные.

2. По назначению: универсальные и специализированные.

3. По структуре потоков информации:

- матричные или векторные (много потоков данных и один поток команд);

- конвейерные или магистральные (один поток данных

обрабатывается последовательно соединенными процессорами);

- многопроцессорные (множество потоков данных обрабатывается множеством процессоров).

Более подробную информацию о принципах организации БВК можно получить в курсе ""Вычислительные системы и сети"".

Номенклатура БВК.

Современные ВС строятся на основе различных ЭВМ и их семейств (систем).

Под системой ЭВМ понимают ряд программно и аппаратно совместимых моделей ЭВМ, базирующейся на одной системе команд, составе ВУ, методов эксплуатации и техническом исполнении.

Использование ЭВМ в рамках одного семейства позволяет:

- комплектовать набор ТС оптимально соответствующий задачам САПР;

- использовать ПО на различных конфигурациях и моделях ТС;

- упростить процесс перехода пользователей от одной ЭВМ к другой.

Основными семействами ЭВМ в нашей стране являются:

- ЕС ЭВМ -канальная структура, высокая производительность, большое число ВУ.

- СМ ЭВМ, "Электроника" -мини и микро ЭВМ, структура общая шина, основа для построения АРМ.

Особенности семейств ЭВМ позволяют сделать вывод о целесообразности использования ЕС ЭВМ (за исключением ПЭВМ 1840 и аналогичных) в качестве БВК многопользовательских систем, СМ ЭВМ, персональные ЭВМ и ""Электроника"" могут быть использованы для создания автоматизированных рабочих мест проектировщиков.

Неправильный выбор ЭВМ может привести к снижению эффективности или к невозможности использования ТС в различных задачах .

Внешние устройства и периферийное оборудование.

Внешние устройства ЭВМ (ВУ) и периферийное оборудование (ПО), входящие в состав ТС САПР, служат для ввода, вывода и запоминания больших объемов информации, а также для преобразования формы ее представления. Различия между внешними устройствами и периферийным оборудованием заключается в том, что ВУ включаются в номенклатуру устройств системы ЭВМ (типовой комплект устройств ЭВМ), а 'ПО' выходит за ее рамки и служит для решения специфических задач.

К внешним устройствам, как правило, относятся устройства внешней памяти ЭВМ, устройства вывода алфавитно-цифровой информации и устройства оперативного взаимодействия (А/Ц дисплей).

Периферийное оборудование включает в себя разнообразные устройства ввода-вывода графической информации, а также специальные устройства сопряжения ТС ЭВМ с промышленным оборудованием.

Устройства внешней памяти.

Кроме процессора в состав ЭВМ входит оперативное запоминающее устройство, позволяющее реализовать функции

хранения и обмена данными при выполнении операции под ними.

Следует отметить, что состав и структуру ОЗУ довольна сложна (в ОЗУ входит сверхоперативная память, оперативная память, регистры обмена и т.д.).

Кроме того при ее разработке необходимо удовлетворение разнородных и во многом противоречивых требований:

- большой объем;

- высокое быстродействие;

- малая удельная стоимость;

- малые габаритные размеры.

Это приводит к увеличению стоимости ОЗУ по сравнению с другими видами памяти - в частности внешними запоминающими устройствами, позволяющими увеличить объем памяти до сотен гигабайт (10 в 9), что необходимо для решения задач .

В качестве запоминающих устройств большой емкости в настоящее время используются устройства, использующиеся для хранения информации подвижной магнитный носитель.

К этим устройствам относятся:

- накопитель на магнитном барабане (НМБ);

- накопитель на магнитном диске;

- накопитель на магнитной ленте.

Эти устройства отличаются между собой типом движения магнитного носителя, что определяет отличия в типе организации обработки информации.

Память на магнитных дисках.

В настоящее время основным типом используемой памяти является память на вращающихся носителях.

Основными характеристиками этого типа памяти являются:

- малое время обращения;

- большой объем записываемой (хранимой) информации;

- малые размеры устройств;

- малая удельная стоимость.

Существует два основных вида памяти на вращающихся

носителях:

- дисковая память;

- барабанная память.

Рассмотрим запоминающие устройства на магнитных дисках. Устройства состоят из двух основных элементов:

- магнитный диск;

- головки.

Магнитный диск представляет собой пластину с нанесенными на нее магнитным покрытием. Основа диска, как правило, алюминиевая.

Головки представляют собой полный аналог магнитной головки, используемой в бытовых магнитофонах. Головки устанавливаются таким образом, чтобы они были отделены от магнитного материала диска небольшим зазором (порядка 0.0015-0.0025 мм).

При вращении диска головка находится над участком, образующим кольцо (рис.3 ). Это кольцо называется дорожкой.

Современные запоминающие устройства на магнитных дисках (НМД) имеют от 1 до 20 дисков и содержат на каждом диске от 50 до 1000 дорожек и позволяют хранить объемы информации 10**5 - 10**8 байт.

К основным из них относятся:

- накопители на жестких магнитных дисках;

- накопители на гибких дисках;

- накопителя типа winchester (винчестер).

Особенности НМД определяются типом позиционирования (фиксации головки), применяемым при реализации устройства.

Наиболее широко распространенным типом НМД является НМД с подвижными головками.

В таких устройствах магнитная головка может перемещаться по радиусу магнитного диска. При этом она может быть зафиксирована в некотором положении, которое и определяет соответствующую дорожку (рис.3 ). Позиционирование магнитных головок осуществляется, как правило, электромагнитным способом. Расстояние между соседними дорожками составляет единицы мкм.

Подобный тип позиционирования применяется как в НМД с жесткими, так и с гибкими магнитными дисками. Различие состоит в специфике материала.

Жесткие магнитные диски представляют собой алюминиевый диск толщиной 1-2 мм, на который нанесено магнитное покрытие.

ГОЛОВКА ПОТОК ГАЗА

Рис.3

При этом диски могут быть объединены в пакет дисков (расположение нескольких дисков) (рис.4); пакеты могут содержать до 10 дисков (пластин). Гибкие магнитные диски изготавливаются из полимерной пленки, на которую наносится магнитное покрытие. Гибкий диск находится в специальной многослойной кассете (рис.5). В которой прорезаны отверстия для магнитной головки. Головки синхронизации и отверстия защиты записи. Другой особенностью гибких магнитных дисков является наличие контакта между диском и магнитной головкой, что накладывает ограничения на частоту вращения диска (90-300 об/мин) по сравнению с жесткими магнитными дисками (до 4000 об/мин).

Как жесткие так и гибкие магнитные диски жестко связаны с устройством. На одном устройстве можно работать последовательно с несколькими пакетами или кассетами. Однако возможность смены дисков приводит к необходимости синхронизировать работу НМД для конкретного магнитного диска. Необходимость синхронизации вызвана тем, что для каждой дорожки возникает задача нахождения начальной точки расположения на ней информации (поиск начала записи). Эта задача решается путем введения на диске специальной синхродорожки, позволяющей как идентифицировать начало записи на дорожке, так и стабилизировать частоту вращения диска (рис.3 ), что особенно важно для жестких магнитных дисков.

Необходимость стабилизации частоты вращения диска объясняется тем, что для достижения требуемого зазора между диском и головкой используют плавающую подвеску головки. При вращении в части воздуха непосредственно примыкающей к диску, создается воздушный поток, в котором головка бы ""летит"" над поверхностью диска (рис.6). Изменение скорости вращения приводит к изменению зазора, что отрицательно сказывается на качестве работы устройства.

Накопители типа ""винчестер"" являются одной из последних разработок в области НМД. За счет физического объединения устройства с магнитным диском (привод, головки и магнитный диск составляют единое целое). Были значительно увеличены плотность записи, точность позиционирования головок, что позволило на порядок увеличить удельную информационную емкость НМД.

В заключение следует отметить, что в настоящее время делаются попытки использовать в качестве запоминающего устройства видеодиск, однако разработчики сталкиваются при решении этой задачи с трудностями по перезаписи (модифицированию) информации на видеодиске.

Широкое использование НМД объясняется тем, что среднее время доступа к хранящимся данным определяется, в основном, временем позиционирования головки достаточно мало (десятки МС) и сравнимо с временем работы (циклом работы) наиболее быстрых устройств, входящих в состав ТС САПР.

Так как НМД используются для реализации баз данных САПР, хранения графической информации (графические файлы) и т.д.

Лекция 2

Внешние запоминающие устройства

Классификация и характеристики

внешних запоминающих устройств

План

1. Классификация внешних запоминающих устройств.

2. Основы магнитной записи.

3. Схемы записи и воспроизведения.

4. Представление цифровой информации на внешнем носителе.

2.1. Классификация внешних запоминающих устройств

Для эффективной обработки данных необходимо обеспечить при минимальных затратах хранение больших объемов информации и быстрый доступ к ней. Эти требования противоречивы и при современном уровне технологии компромисс между емкостью, быстродействием памяти и затратами на нее достигается за счет создания иерархической структуры, включающей в себя сверхоперативный, основной, внешний и архивный уровни. Внешний и архивный уровни образуют систему внешней памяти. В ее состав входят разнородные внешние запоминающие устройства (ВЗУ), контроллеры ВЗУ, а также носители информации и хранилища для них.

Контроллеры ВЗУ, как правило, размещаются в системном блоке ПЭВМ и реализуют функции контроля исправности ВЗУ, помехоустойчивого кодирования, обнаружения ошибок при считывании, задания формата данных, формирования сигналов интерфейса в соответствии с протоколом и др.

По типу носителя различают ВЗУ с подвижным и неподвижным носителем. Если поиск, запись и считывание информации сопровождаются механическим перемещением носителя, то такие ВЗУ называют накопителями с подвижным носителем. К этой категории относят накопители на магнитных лентах (НМЛ), магнитных дисках (НМД) и оптических дисках (НОД). Накопители на основе цилиндрических магнитных доменов (ЦМД) относятся к накопителям второй категории. Реже во ВЗУ используют объемную запись - полупроводниковые ЗУ, приборы с зарядной связью.

По способу доступа к информации все ВЗУ делятся на накопители с последовательным (НМЛ) и прямым (произвольным) доступом (НГМД, НЖМД).

Основными техническими характеристиками ВЗУ являются:

1) информационная емкость определяет наибольшее количество единиц данных, которое может одновременно храниться в ВЗУ. Она зависит от площади и объема носителя, а также от плотности записи;

2) плотность записи - число бит информации, записанных на единице поверхности носителя. Различают продольную плотность (бит/мм), т.е. число бит на единице длины носителя вдоль вектора скорости его перемещения (по дорожке), и поперечную плотность (бит/мм), т.е. число бит на единице длины носителя в направлении, перпендикулярном вектору скорости (число дорожек);

3) время доступа, т.е. интервал времени от момента запроса (чтения или записи) до момента выдачи блока. Это время включает в себя время поиска информации на носителе и время чтения или записи;

4) скорость передачи данных определяет количество данных, считываемых или записываемых в единицу времени и зависит от скорости движения носителя, плотности записи, числа каналов и т.п.

2.2. Основы магнитной записи

Запись и считывание информации происходят в процессе взаимодействия магнитного носителя и магнитной головки (МГ), которая представляет собой электромагнит. Материал магнитного покрытия можно представить множеством хаотически расположенных магнитных доменов, ориентация которых изменяется под действием внешнего магнитного поля (рис. 12.1), создаваемого МГ при подаче в ее обмотку тока записи. Если МГ приводит к ориентации доменов в плоскости носителя (рис. 12.1, б, в), то магнитную запись называют горизонтальной, а если - к ориентации доменов перпендикулярно плоскости носителя (рис. 12.1, г, д), то магнитную запись называют вертикальной. Хотя вертикальная запись потенциально позволяет добиться более высокой плотности записи, наиболее распространена горизонтальная запись.

Для регистрации информации используется переход от одного состояния намагниченности в противоположное. Этот переход является «отпечатком», который может быть обнаружен с помощью МГ чтения.

Для горизонтальной магнитной записи МГ записи имеет небольшой зазор, через который замыкается магнитный поток. Под действием тока в обмотке домены носителя ориентируются в одном направлении. Если изменить направление тока записи I_w , то ориентация доменов будет противоположной (рис. 12.2). Количество переходов, размещаемых на единице площади носителя, называют физической плотностью записи. Этот параметр зависит от метода магнитной записи, величины зазора в МГ и ее конструкции, расстояния между МГ и покрытием носителя и др.

Если плотность записи очень большая, то соседние переходы влияют друг на друга и это должно учитываться при построении схем записи и воспроизведения.

Магнитная головка чтения позволяет определить моменты времени, когда при движении носителя под ней оказываются границы между участками с противоположными состояниями намагниченности. Магнитный поток, создаваемый доменами носителя, частично замыкается через магнитопровод МГ чтения. Для сокращения длительности импульса воспроизведения уменьшают зазор в головке, толщину магнитного покрытия и расстояние между МГ и покрытием.

Если расстояние от МГ до покрытия равно нулю, то реализуется контактная запись (НМЛ, НГМД). Трение между носителем и МГ вызывает их износ и ограничивает скорость движения носителя. При использовании НЖМД реализуют бесконтактную запись, при которой МГ находится на расстоянии 0,2-5 мкм над поверхностью носителя.