Arkhitektura_EVM_uchebnoe_posobie
.pdfжутком, дающим возможность позиционирования головки считывания/записи на начало любого блока. Идентификация записи производится по полю заголовка, содержащемуся в каждой записи. Для указания начала и конца ленты используются физические маркеры в виде металлизированных полосок, наклеиваемых на магнитную ленту, или прозрачных участков на самой ленте. Известны также варианты маркирования начала и конца ленты путем записи на нее специальных кодов-индикаторов.
Вуниверсальных ЭВМ обычно применяются бобинные устройства с вакуумными системами стабилизации скорости перемещения ленты. В них скорость перемещения ленты составляет около 300 см/с, плотность записи – 4 Кбайт/см,
аскорость передачи информации – 320 Кбайт/с. Типовая бобина содержит 730м магнитной ленты.
ВЗУ на базе картриджей используются кассеты с двумя катушками, аналогичные стандартным аудиокассетам. Типовая ширина ленты – 8 мм. Наиболее распространенной формой таких ЗУ является DAT (Digital Audio Tape). Данные на ленту заносятся по диагонали, как это принято в видеокассетах. По размеру такой картридж примерно вдвое меньше, чем обычная компакт-кассета, и имеет толщину 3,81 мм. Каждый картридж позволяет хранить несколько гигабайтов данных. Время доступа к данным невелико (среднее между временами доступа к дискетам и к жестким дискам). Скорость передачи информации выше, чем у дискет, но ниже, чем у жестких дисков.
Вторым видом ЗУ на базе картриджей является устройство стандарта DDS (Digital Data Storage). Этот стандарт был разработан в 1989 году для удовлетворения требований к резервному копированию информации с жестких дисков в мощных серверах и многопользовательских системах. В сущности, это вариант DAT, обеспечивающий хранение 2 Гбайт данных при длине ленты 90 м. В бо-
лее позднем варианте стандарта DDS-DC (Digital Data Storage – Data Compression), за счет применения методов сжатия, информации емкость ленты увеличена до 8 Гбайт. Наконец, третий вид ЗУ на базе картриджей также предназначен для резервного копирования содержимого жестких дисков, но при меньших объемах такой информации. Этот тип ЗУ отвечает стандарту QIC (Quarter Inch Cartridge tape) и более известен под названием стример. Известны стримеры, обеспечивающие хранение от 15 до 525 Мбайт информации. В зависимости от информационной емкости и фирмы-изготовителя изменяются и характеристики таких картриджей. Так, число дорожек может варьироваться в диапазоне от 4 до 28, длина ленты – от 36 до 300м и т. д.
4.5.5. Флеш-память
Флеш-диски (Flash Disks) – весьма популярный и очень перспективный класс энергонезависимых запоминающих устройств. Флеш-диски (твердотельные диски) представляют собой устройства для долговременного хранения информации с возможностью многократной перезаписи. Стирание и запись данных осуществляются блоками.
У флеш-дисков отсутствуют какие-либо подвижные части – чаще всего они представляют собой прямоугольные картриджи.
120
Для хранения информации в них используются специализированные микросхемы памяти с металлизацией (металл-нитридные), выполненные по технологии Flash, изобретенной в начале 80-х годов фирмой Intel. Дисками их называют условно, поскольку флеш-диски полностью эмулируют функциональные возможности жестких дисков. При работе указатели в микросхеме перемещаются на начальный адрес блока, затем байты данных передаются в последовательном порядке с использованием стробирующего сигнала. Стирание содержимого всего блока выполняется одномоментно отдельным сигналом (отсюда, вероятно, и название памяти flash – вспышка). Тотальное стирание было специально организовано разработчиками, поскольку первоначально флеш-память применялась в военных приборах, и при обнаружении попыток несанкционированного доступа к ним необходимо было сразу уничтожать все данные – система автоматически генерировала внутренний сигнал стирания).
По существу, флеш-диски – это «полупостоянные» запоминающие устройства, стирание, считывание и запись информации в которых выполняется электрическими сигналами (в отличие от прочих ПЗУ, в которых эти действия производятся лучом лазера или чисто механически – «перепрошивкой»). Количество циклов перезаписи информации в одну и ту же ячейку у флеш-памяти ограничено, но оно обычно превышает 1 млн.
Емкость современных флеш-дисков достигает нескольких гигабайтов при крайне миниатюрных их размерах. Флеш-диски обладают высочайшей надежностью – среднее время наработки на отказ у них составляет, как правило, более миллиона часов; они устойчивы к механическим ускорениям и вибрациям, работают в широком диапазоне температур (от -40 до +85 °С). Во время выполнения операций чтения-записи флеш-диски обычно потребляют не более 200 мВт электроэнергии и, естественно, не шумят. Скорость считывания информации составляет несколько мегабайт в секунду, скорость записи несколько ниже (эти значения зависят от типа флеш-памяти и ее интерфейса).
Флеш-диски в настоящее время выпускаются многими фирмами с различными интерфейсами и в разных конструктивных исполнениях. Они могут быть нетолько внешними дисками ПК, но и устанавливаться внутри системного блока. Значительно чаще флеш-память используется в качестве альтернативных твердотельных дисков. Широкое применение флеш-диски нашли в цифровых фото- и видеокамерах, мобильных устройствах.
Вопросы к главе 4
1.Основные характеристики систем памяти.
2.Какие применяются методы доступа к памяти?
3.Поясните иерархию запоминающих устройств.
4.Что представляет собой основная память?
5.Приведите характеристики оперативного запоминающего устройства.
6.Виды и характеристики постоянных запоминающих устройств.
7.Назначение и характеристики кэш-памяти.
8.Какие способы отображения оперативной памяти на кэш-память суще-
ствуют?
121
9.Приведите виды внешней памяти.
10.Укажите характеристики магнитных дисков.
11.Применение массивов магнитных дисков с избыточностью.
12.Виды оптической памяти.
13.Преимущества и недостатки применения магнитных лент.
14.Характеристики и применение флеш-памяти.
122
Глава 5
СИСТЕМА ВВОДА/ВЫВОДА. ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА ЭВМ
5.1. Принципы организации ввода-вывода. Организация шин
Помимо центрального процессора (ЦП) и основной памяти, третьим ключевым элементом архитектуры ЭВМ является система ввода/вывода (СВВ). Система ввода/вывода призвана обеспечить обмен информацией между ЭВМ и разнообразными внешними устройствами (ВУ). Технические и программные средства СВВ несут ответственность за физическое и логическое сопряжение вычислительной машины и ВУ.
Технически система ввода/вывода в рамках ЭВМ реализуется комплексом модулей ввода/вывода (МВВ). Модуль ввода/вывода выполняет сопряжение ВУ с ЭВМ и различные коммуникационные операции между ними.
Можно выделить три основных способа подключения СВВ к ЦП (рис. 5.1). В варианте с раздельными шинами памяти и ввода/вывода (рис. 5.1, а) обмен информацией между ЦП и памятью физически отделен от ввода/вывода, поскольку обеспечивается полностью независимыми шинами. Это дает возможность осуществлять обращение к памяти одновременно с выполнением вво-
да/вывода.
Кроме того, данный архитектурный вариант ЭВМ позволяет специализировать каждую из шин, учесть формат пересылаемых данных, особенности синхронизации обмена и т. п. В частности, шина ввода/вывода, с учетом характеристик реальных, может иметь меньшую пропускную способность, что позволяет снизить затраты на ее реализацию. Недостатком решения можно считать большое количество точек подключения к ЦП.
Второй вариант – с совместно используемыми линиями данных и адреса (рис. 5.1, б). Память и СВВ имеют общие для них линии адреса и линии данных, разделяя их во времени. В то же время управление памятью и СВВ, а также синхронизация их взаимодействия с процессором осуществляются независимо по раздельным линиям управления. Это позволяет учесть особенности процедур обращения к памяти и к модулям ввода/вывода и добиться наибольшей эффективности доступа к ячейкам памяти и внешним устройствам.
Последний тип архитектуры ЭВМ предполагает подключение СВВ к системной шине на общих правах с процессором и памятью (рис. 5.1, в).
Связь ЭВМ с внешним миром осуществляется с помощью самых разнообразных внешних устройств. Каждое ВУ подключается к МВВ посредством индивидуальной шины. Интерфейс, по которому организуется такое взаимодействие МВВ и ВУ часто называют малым. Индивидуальная шина обеспечивает обмен данными и управляющими сигналами, а также информацией о состоянии участников обмена. Внешнее устройство, подключенное к МВВ, обычно назы-
вают периферийным устройством (ПУ).
Все множество ПУ можно свести к трем категориям: для общения с пользователем; общения с ЭВМ; для связи с удаленными устройствами.
Примерами первой группы служат видеотерминалы и принтеры. Ко второй
123
группе причисляются внешние запоминающие устройства (магнитные и оптические диски, магнитные ленты и т. п.), датчики и исполнительные механизмы. Отметим двойственную роль внешних ЗУ, которые, с одной стороны, представляют собой часть памяти ЭВМ, а с другой – являются внешними устройствами. Наконец, устройства третьей категории позволяют ЭВМ обмениваться информацией с удаленными объектами, которые могут относиться к двум первым группам. В роли удаленных объектов могут выступать также другие ЭВМ.
Шина памяти
|
|
|
Управление |
|
|
||
Центральный про- |
|
|
|
||||
|
Адрес |
|
Память |
||||
цессор |
|
|
|||||
|
Данные |
|
|
||||
|
|
|
Управление |
|
|
||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Система |
|||
|
|
|
Адрес |
|
|||
|
|
|
Данные |
|
ввода/вывода |
||
|
|
|
|
|
|||
|
|
Шина ввода/вывода |
|
||||
|
|
|
а |
|
|||
|
|
|
Шина памяти |
|
|||
|
|
|
Управление |
|
|
||
Центральный про- |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
||
|
Адрес |
|
Память |
||||
цессор |
|
|
|||||
|
Данные |
|
|
||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Система |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ввода/вывода |
|||
|
Управление вводом/выводом |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
б
Шина памяти
|
Управление |
|
Центральный про- |
||
Адрес |
||
цессор |
Данные |
|
|
|
Управление вводом/выводом
Память
Система ввода/вывода
в
Рис. 5.1. Место системы ввода/вывода в архитектуре вычислительной машины: а – раздельными шинами памяти и ввода/вывода; б – с совместно используемыми линиями данных и адреса; в – подключение на общих правах с
процессором и памятью
124
Обобщенная структура ВУ показана на рис. 5.2. Интерфейс с МВВ реализуется в виде сигналов управления, состояния и данных. Данные представлены совокупностью битов, которые должны быть переданы в модуль ввода/вывода или получены из него. Сигналы управления определяют функцию, которая должна быть выполнена внешним устройством. Это может быть стандартная для всех устройств функция – посылка данных в МВВ или получение данных из него, либо специфичная для данного типа ВУ функция, такая, например, как позиционирование головки магнитного диска или перемотка магнитной ленты. Сигналы состояния характеризуют текущее состояние устройства, в частности включено ли ВУ и готово ли оно к передаче данных.
Сигналы управления из |
Информация |
Обмен данными с мо- |
дулем ввода/вывода |
||
модуля ввода/вывода |
состояния ВУ в МВВ и |
|
|
состояния МВВ в ВУ |
|
Логика |
|
Буферная память |
управления |
|
|
|
|
Преобразователь |
|
|
Обмен данными с |
|
|
внешней средой |
Рис. 5.2. Структура внешнего устройства
Логика управления – это схемы, координирующие работу ВУ в соответствии с управлением передачи данных. Задачей преобразователя является трансформация информационных сигналов, имеющих самую различную физическую природу, в электрические сигналы, а также обратное преобразование. Обычно совместно с преобразователем используется буферная память, обеспечивающая временное хранение данных, пересылаемых между МВВ и ВУ.
Взаимосвязь частей ЭВМ и ее «общение» с внешним миром обеспечиваются системой шин. Большинство машин содержат несколько различных шин, каждая из которых оптимизирована под определенный вид коммуникаций. Часть шин скрыта внутри интегральных микросхем или доступна только в пределах печатной платы. Некоторые шины имеют доступные извне точки, с тем чтобы к ним легко можно было подключить дополнительные устройства, причем большинство таких шин не просто доступны, но и отвечают определенным стандартам, что позволяет подсоединять к шине устройства различных производителей.
Чтобы охарактеризовать конкретную шину, нужно описать
совокупность сигнальных линий; физические, механические и электрические характеристики шины;
125
используемые сигналы арбитража, состояния, управления и синхрониза-
ции;
правила взаимодействия подключенных к шине устройств (протокол ши-
пы).
Шину образует набор коммуникационных линий, каждая из которых способна передавать сигналы, представляющие двоичные цифры 1 и 0. По линии может пересылаться развернутая во времени последовательность таких сигналов. При совместном использовании несколько линий могут обеспечить одновременную (параллельную) передачу двоичных чисел. Физически линии шины реализуются в виде отдельных проводников, как полоски проводящего материала на монтажной плате либо как алюминиевые или медные проводящие дорожки на кристалле микросхемы.
Операции на шине называют транзакциями. Основные виды транзакций –
транзакции чтения и транзакции записи. Если в обмене участвует устройство ввода/вывода, можно говорить о транзакциях ввода и вывода, по сути эквивалентных транзакциям чтения и записи соответственно. Шинная транзакция включает в себя две части: посылку адреса и прием (или посылку) данных.
Когда два устройства обмениваются информацией по шине, одно из них должно инициировать обмен и управлять им. Такого рода устройства называют ведущими (bus master). «Ведущий» – это любое устройство, способное взять на себя владение шиной и управлять пересылкой данных. Ведущий не обязательно использует данные сам. Он, например, может захватить управление шиной в интересах другого устройства. Устройства, не обладающие возможностями инициирования транзакции, носят название ведомых (bus slave). В принципе к шине может быть подключено несколько потенциальных ведущих, но в любой момент времени активным может быть только один из них: если несколько устройств передают информацию одновременно, их сигналы перекрываются и искажаются. Для предотвращения одновременной активности нескольких ведущих в любой шине предусматривается процедура допуска к управлению шиной только одного из претендентов (арбитраж). В то же время некоторые шины допускают широковещательный режим записи, когда информация одного ведущего передается сразу нескольким ведомым (здесь арбитраж не требуется). Сигнал, направленный одним устройством, доступен всем остальным устройствам, подключенным к шине.
Английский эквивалент термина «шина» – «bus» – восходит к латинскому слову omnibus, означающему «для всего». Этим стремятся подчеркнуть, что шина ведет себя как магистраль, способная обеспечить всевозможные виды трафика.
Важным критерием, определяющим характеристики шины, может служить ее целевое назначение. По этому критерию можно выделить шины:
«процессор-память»; ввода/вывода; системные.
Шина «процессор-память» обеспечивает непосредственную связь между
126
центральным процессором вычислительной машины и основной памятью. Интенсивный трафик между процессором и памятью требует, чтобы полоса пропускания шины, то есть количество информации, проходящей по шине в единицу времени, была наибольшей.
Поскольку в фон-неймановских машинах именно обмен между процессором и памятью во многом определяет быстродействие ЭВМ, разработчики уделяют связи ЦП с памятью особое внимание. Для обеспечения максимальной пропускной способности шины «процессор-память» всегда проектируются с учетом особенностей организации системы памяти, а длина шины делается по возможности минимальной.
Шина ввода/вывода служит для соединения процессора (памяти) с устройствами ввода/вывода (УВВ). Учитывая разнообразие таких устройств, шины ввода/вывода унифицируются и стандартизируются. Связи с большинством УВВ (но не с видеосистемами) не требуют от шины высокой пропускной способности. При проектировании шин ввода/вывода в учет берутся стоимость конструктива и соединительных разъемов. Такие шины содержат меньше линий по сравнению с вариантом «процессор-память», но длина линий может быть весьма большой.
С целью снижения стоимости некоторые ЭВМ имеют общую шину для памяти и устройств ввода/вывода. Такая шина часто называется системной. Системная шина служит для физического и логического объединения всех устройств ЭВМ. Поскольку основные устройства машины, как правило, размещаются на общей монтажной плате, системную шину часто называют объединительной шиной, хотя эти термины нельзя считать строго эквивалентными.
5.2. Системы визуального отображения информации
Видеосистемы предназначены для оперативного отображения информации, доведения ее до сведения оператора ЭВМ. Обычно они состоят из двух частей: монитора и адаптера. Монитор служит для визуализации изображения, адаптер – для связи монитора с микропроцессорным комплектом.
Классификацию мониторов можно провести по следующим признакам:
по используемым физическим эффектам; по принципу формирования изображения на экране; по способу управления;
по длительности хранения информации на экране; по цветности изображения.
По принципу формирования изображения мониторы делятся на плазмен-
ные, электролюминесцентные, жидкокристаллические и электронно-лучевые.
Плазменные, электролюминесцентные и жидкокристаллические монито-
ры относятся к дисплеям с плоским экраном. Для них характерно: экран имеет малые физические размеры, не мерцает, полностью отсутствует рентгеновское излучение. Мониторы этого вида допускают локальное стирание и замену информации, имеют малый вес и незначительное потребление энергии, большую механическую прочность и длительный срок службы. Плоские экраны уступают мониторам на электронно-лучевых трубках в скорости обновления инфор-
127
мации на экране (они медленнодействующие, не приспособлены для демонстрации динамично меняющихся изображений) и в количестве отображаемых цветовых оттенков.
Плазменные и электролюминесцентные мониторы являются активными, излучающими свет. Для работы с ними не нужен посторонний источник света.
Жидкокристаллические мониторы – пассивные. Они работают только при наличии постороннего источника света и способны работать либо в отраженном, либо в проходящем свете. Жидкокристаллические мониторы используют способность жидких кристаллов изменять свою оптическую плотность или отражающую способность под воздействием электрических сигналов.
В плазменной панели элемент изображения образуется в результате газового разряда, который сопровождается излучением света. Конструктивно панель состоит из трех стеклянных пластин, на две из которых нанесены тонкие прозрачные проводники (до 2-4 проводников на 1 мм). На одной пластине проводники расположены горизонтально, на другой – вертикально. Между ними находится третья стеклянная пластина, в которой в местах пересечения проводников имеются сквозные отверстия. Эти отверстия при сборке панели заполняются инертным газом. Вертикально и горизонтально расположенные проводники образуют координатную сетку; на пересечении проводников находятся элементы изображения – пиксели. При разрешающей способности 512х512 пикселей такая панель имеет размеры не более 200х200мм и толщину 6-8 мм. В настоящее время созданы цветные плазменные панели с разрешающей способностью экрана 1024х1024 пикселей.
Электролюминесцентные мониторы работают на принципе люминесценции вещества при воздействии на него электрического поля. Люминесцентное вещество распыляется на внутренней поверхности одной из пластин с координатной сеткой. Напряжение на координатные шины подается такое, чтобы на пересечении координатных шин создавалось электрическое поле, достаточное для возбуждения люминофора.
Наибольшее распространение получили мониторы на электронно-лучевых трубках. Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) представляет собой электровакуумный прибор в виде стеклянной колбы, дно которой является экраном. В колбе, из которой удален воздух, расположены электроды: электронная пушка (катод с электронагревательным элементом), анод, вертикально и горизонтально отклоняющие пластины и сетка. Снаружи на ЭЛТ установлена фокусирующая система. Внутренняя поверхность экрана покрыта люминофором, который светится при попадании на него потока электронов. Катод, поверхность которого покрыта веществом, легко отдающим электроны при нагревании, является источником электронов. Возле него образуется «электронное облако», которое под действием электрического поля анода движется в сторону экрана. По мере приближения к аноду электронный поток увеличивает скорость. Фокусирующая система сжимает поток электронов в тонкий пучок, который с помощью отклоняющих пластин направляется в нужную точку экрана. Сетка служит для регулирования плотности электронного потока. Она расположена гораздо ближе к катоду, чем анод. В зоне ее действия поток электронов имеет небольшую
128
скорость, поэтому она оказывает на поток электронов влияние, сопоставимое с влиянием анода. Сетка может создать электрическое поле, которое тормозит электроны, уменьшает их скорость и плотность потока, движущегося в сторону экрана, и даже может полностью «запереть» трубку, не пропустить поток электронов в сторону экрана.
На отклоняющие пластины ЭЛТ подается пилообразное напряжение, которое отклоняет электронный луч и заставляет его пробегать по всей поверхности экрана, строка за строкой. На поверхности экрана появляется развертка, с помощью которой выводится требуемое изображение – в местах экрана, которые должны оставаться темными, трубка запирается и электронный луч не доходит до поверхности экрана.
Максимальное количество строк на экране и количество точек в строке об-
разуют разрешающую способность монитора.
Разрешающая способность оказывает значительное влияние на качество изображения на экране, но качество изображения зависит и от других характеристик: физических размеров элементов изображения (пикселей, или точек), размеров экрана, частоты развертки, цветовых характеристик и др.
Размер элементов изображения зависит от величины зерен люминофора, напыляемого на экран, который измеряется в миллиметрах.
Размер экрана, имеющего прямоугольную форму, обычно измеряется по диагонали в дюймах (12, 14, 15, 17, 21,...).
Необходимо отметить, что большее по размерам зерно имеет большую инерционность – электронный луч дольше «разжигает» такое зерно, но оно и светится дольше. Поэтому в мониторах с большим размером зерна частота регенерации не должна быть высокой (25-30 кадров в секунду достаточно, чтобы изображение «не мерцало» из-за угасания зерен люминофора). При уменьшении размеров зерна уменьшается и его инерционность. Поэтому регенерацию экрана в мониторах с зерном 0,26 и меньше приходится проводить чаще (75-100 раз в секунду). Для того чтобы вывести 100 раз в секунду кадр, содержащий 1000 пикселей в строке и 1000 строк, необходимо обеспечить частоту строчной развертки 100 × 1000 × 1000 = 1012 Гц = 100 Мгц; частота кадровой развертки при этом составит 100 × 1000 = 105 Гц = 0,1 Мгц.
По длительности хранения информации на экране мониторы делятся на регенерируемые и запоминающие.
Врегенерируемых мониторах изображение после однократной прорисовки держится на экране недолго, доли секунды, постепенно угасая. Угасание изображения иногда заметно на глаз – нижние строки могут быть ярче верхних, например. Для поддержания постоянной яркости изображение приходится повторно прорисовывать (регенерировать) 20-25 раз в секунду. Чтобы яркость в различных частях экрана не очень отличалась и для снижения полосы пропускания применяют чересстрочную развертку: при каждой прорисовке сначала рисуются нечетные строки, а затем – четные.
Регенерируемые мониторы незаменимы при визуализации быстропротекающих динамических процессов.
Взапоминающих мониторах после однократной прорисовки изображение
129