[irt.od.ua]КонспектАПСПК / КонспектАПСПК

запрос шина простаивает. Конвейерный доступ AGP позволяет в это время передавать следующие запросы, а потом получить плотный поток ответов (самих передаваемых данных).

Спецификация AGP предусматривает возможность постановки в очередь до 256 запросов, но при конфигурировании Plug &Play уточняются реальные возможности конкретной системы. AGP поддерживает две пары очередей для операций записи и чтения памяти с высоким и низким приоритетом.

Порт AGP может работать как в своем «естественном» режиме с конвейеризацией и сдвоенными передачами, так и в режиме шины PCI.

Порт позволяет работать в двух режимах — режиме DMA и режиме исполнения (Executive Mode). В режиме DMA акселератор при вычислениях рассматривает свой локальный буфер как первичную память, а когда ее объема недостаточно, подкачивает данные из основной памяти, используя быстрый канал AGP. При этом для трафика порта характерны длительные последовательные (блочные) передачи. В режиме исполнения локальный буфер и основная память для акселератора равнозначны и располагаются в едином адресном пространстве. Такой режим работы акселератора с памятью называется DIME (Direct Memory Execute).

16.4. PCI-Express 16x

Начиная с 2004 года, роль стандартной графической шины общего назначения начнет играть новая универсальная (индустриальная) шина PCI-Express в 16 канальном варианте. Ключевые отличия новой шины от AGP и PCI:

•Новая шина – параллельная. Пропускная способность – более 4ГБ/с.

•Спецификация разделена на целый стек протоколов, каждый уровень которого может быть усовершенствован, упрощен или заменен, не сказываясь на остальных

•В изначальной спецификации заложены возможности горячей замены карт

•Заложены возможности контроля целостности передаваемых данных (CRC)

•Предусмотрены богатые возможности управления питанием

•Пропускная способность одинакова в обе стороны, шина является полнодуплексной

•Ниже задержки (латентность).

•Нет принципиальных ограничений на число таких графических разъемов в системе.

Контрольные вопросы

1.Как устроена шина ISA? Ее достоинства и недостатки.

2.Как устроена шина PCI и в чем ее ценность?

3.Почему интерфейс AGP называется портом? Каковы характеристики AGP?

4.Чем отличаются и что общего между PCI и AGP?

5.Построение и характеристики шины PCI-Express.

71

Лекция 17-18. Устройства хранения данных

17.1. Основные характеристики внешних накопителей

Емкость. Первые накопители имели емкость сотни килобайт. Нынешние – сотни гигабайт – единицы терабайт.

Быстродействие. Определяет скорость работы всей системы. Наиболее важные - среднее время доступа, среднее время поиска, линейная скорость

передачи данных MTDTR = SRTX512 x RPM / 60 (байт/с), где SRT — количество

секторов на дорожке, RPM — скорость вращения дисков, об/мин.

Время безотказной работы. Часто указывается величина 500 тыс. часов (57 лет), что ни разу не выполнялось. Для контроля текущего состояния механических элементов накопителя используется технология SMART.

Кэш-память дискового накопителя. Составляет 2-32 Мбайт. Используется для хранения файлов во время записи, а также команд и алгоритмов работы.

Способы передачи данных. Для передачи данных между накопителем и памятью PC используется два основных способа:

1)Программный ввод/вывод (Programmed Input/Output, PIO) - выполняется с помощью ЦП. Имеются стандарты Mode 0 – Mode 5, обеспечивающие скорость передачи от 3,3 МБ/с до 20 МБ/с.

2)Прямой доступ к памяти (Direct Memory Access, DMA) - исполняется с помощью контроллера накопителя без участия ЦП. Имеются режимы SingleWord 0-2 со скоростью передачи 2.1-8.3 МБ/с, MultiWord 0-3 со скоростью до 20 МБ/с, Ultra DMA33 – Ultra DMA 133 (ATA66-ATA133) со скоростью интерфейса до 133 МБ/с, Serial ATA - более 155 МБ/с.

Стандарт Ultra DMA 33 и позже использует механизм обнаружения ошибок с помощью циклического контрольного кода (CRC).

17.2. Структура дисков

Диск состоит из дорожек (цилиндров). Дорожка разделена на секторы по 512 байт. Секторы объединяются в кластеры. Последние являются единицей адресации диска. Кластеры объединяются в разделы и логические диски. Разметка разделов называется форматированием. Раздел бывает загрузочным и обычным. В начале загрузочного раздела имеется системная область, содержащая загрузочный сектор (Boot) со служебной информацией, таблицу размещения файлов (FAT, TOC) и ее копию, а также корневой каталог. Обычный раздел содержит записи в виде файлов. Особенностью функционирования стирающихся дисков является эффект фрагментации файлов.

Дефрагментация. Для повышения быстродействия дисков следует устранять эффект фрагментации. Кроме того, можно также учесть, что скорость чтения в начале механического диска выше, чем в конце. Для дефрагментации используют специальные программы. Например, пакет Norton Utilities в

72

Windows 98 использует следующий порядок размещения файлов по поверхности диска (скорость чтения снижается от начала к концу диска):

1)Файл подкачки (начало диска);

2)Редко используемые;

3)Часто используемые;

4)Часто изменяемые;

5)Свободная область;

6)Редко используемые файлы (конец диска).

Файловая система FAT и NTFS. Файловая система – это способ хранения файлов на диске. Системы FAT16 и FAT32 используют 16 и 32 разрядную таблицу размещения файлов (FAT). В FAT32 - максимальные размер файла и раздела – 2ГБ и 40 ГБ. Система недостаточно стабильна (типичная ошибка – неверный размер свободной области). Сильно подвержена фрагментации. Вместе с тем, имеет высокое быстродействие и хорошую программную поддержку.

С появлением NT-подобных операционных систем была предложена файловая система NTFS. Использует 48-разрядную адресацию. Поэтому ограничения на размер файла и диска практически отсутствуют. 12% диска отводятся под основную таблицу файлов MFT (Master File Table), а также ее копию. Повреждение MFT возможно только при практически полном выходе диска из строя.

Отказоустойчивость NTFS связана с тем, что работа с данными производится на основе транзакций - действий, совершаемых целиком и корректно или не совершаемых вообще.

Каталог в NTFS представляет собой специфический файл, хранящий ссылки на другие файлы и каталоги. Его внутренняя структура подобна бинарному дереву, что позволяет в десятки раз сократить время поиска нужного файла (так называемый метод деления пополам). Чем больше файлов в каталоге, тем больше преимущество перед FAT32 при поиске.

Шифрование данных делает их труднодоступными на других компьютерах.

Используется сжатие данных на уровне файловой системы. Это позволяет работать с файлами относительно быстро.

Имя файла может содержать любые символы, включая полный набор национальных алфавитов, так как данные представлены в Unicode (65535 разных символов).

Поддерживается автоматическое восстановление системы после сбоя. Однако, высокие требования к оперативной памяти, сложность полной дефрагментации и невозможность использования ОС Windows 98 ограничивают использование NTFS. Скорость жестких дисков в FAT32 несколько вы-

ше, чем в NTFS.

73

17.3. Типы накопителей

Классификация накопителей. Накопители бывают механические с носителем информации на ленте или диске, а также чисто электронные на Flashпамяти. Дисковые накопители используют гибкие диски (Floppy), жесткие диски (HD) или оптические носители (CD).

Для унификации любой носитель информации называют диском.

Гибкие диски (Floppy). Являются самым дорогим и ненадежным способом хранения информации (300$/ГБ). Время доступа – 200 мс. Скорость чтения – 35 КБ/с. На одной дискете размещается до 1.4 МБ информации.

Жесткие диски (HD). Первый жесткий диск был применен в 1956 году на ЭВМ фирмы IBM, имел емкость 5 МБ, состоял из 50-и 24” пластин и весил 971 кг. В настоящее время HD являются самым эффективным по критерию емкость - цена - производительность - надежность способом хранения информации. Представляет собой пакет жестких магнитных дисков, диаметром 2.5”- 3.5”, над которыми «парит» головка. Используется очищенная воздушная среда. Точная механика обеспечивает долговечность и надежность. Время доступа порядка 8…15 мс, линейная скорость чтения 50…100 МБ/с (7200об/мин). Кэш-память 2-32 МБ. Применяется параллельный ATA интерфейс со скоростью до 133 МБ/с или последовательный SATA с производительностью более 155 МБ/с.

За последние 20 лет скорость линейного чтения увеличилась на 2 порядка, а время доступа – меньше, чем на порядок. Скорость CPU возросла на 4 порядка. Поэтому HD (как и CD) являются самыми медленными элементами системы.

Емкость HD увеличивается примерно по закону Мура: за 20 лет с 1983 года от 12 Мбайт до 200 Гбайт. Стоимость HD также неуклонно снижается (<0.3$/ГБ в 2006-2007 г.г.).

К системной плате могут быть подключены до 2 пар ATA устройств. До 2005 года использовался горизонтальный способ записи.

Для повышения плотности записи с 2005 г. применяется вертикальная запись на диск, что позволило выпускать диски более 200-500 ГБ с линейной скоростью чтения около 100 МБ/с (7200об/с). Плотность записи в 2007 году превысила 500 Гб/дюйм2, что позволяет создавать 3.5' диски объемом более 1 ТБ (более 600 ГБ на пластину).

SSD ((solid state drive). Традиционно они представляли собой накопители, похожие на жёсткие диски, но использующие обычную кремниевую память и небольшую батарейку для резервного питания. Подобные продукты очень быстрые, но, в то же время, дорогие и эксклюзивные, для массового рынка они не подходят. Однако есть две технологии, угрожающие традиционным жёстким дискам: накопители на флэш-памяти, которые используют энергонезависимую память, а также гибридные винчестеры (H-HDD). Последние представляют собой обычные жёсткие диски, имеющие дополнительный банк флэш-памяти, которая может использоваться для хранения информации OEMпроизводителей и часто используемых файлов ОС.

74

Рис. 16.1. Параллельная и последовательная запись

Гибридные жёсткие диски позволяют ускорить время запуска системы, считывая данные из флэш-памяти, а не с медленного механического носителя. Впрочем, от последнего можно вообще отказаться. Накопители, такие как SSD 5000 от SanDisk, не используют вращающихся дисков вообще, основываясь целиком на флэш-памяти, что стало возможным благодаря продолжающемуся росту ёмкости чипов флэш-памяти.

Впрочем, гибридные жёсткие диски страдают из-за недостаточной поддержки со стороны операционной системы. На данный момент гибридные винчестеры не дают ощутимых преимуществ, будь то увеличение времени автономной работы (мотор шпинделя жёсткого диска может выключаться, если данные гибридного накопителя умещаются во флэшпамяти) или повышение производительности. Вместе с тем покупка гибридного винчестера вместо традиционного - вариант отнюдь не плохой. Жёсткие диски определённо развиваются в этом направлении, но пройдёт некоторое время, прежде чем гибридные винчестеры покажут себя с лучшей стороны.

Жёсткие диски на флэш-памяти становятся лучше и лучше с каждым поколением. Если первые модели были ограничены 32 Гбайт по ценовым соображениям и они не смогли обойти традиционные жёсткие диски во многих тестах, то грядущее поколение сможет обеспечить скорость передачи данных на уровне последних накопителей на 7 200 об/мин. Единственное, чего нельзя решить инженерным методом, так это проблему ёмкости: флэш-накопители пока что будут ограничены объёмом в 64 или 128 Гбайт.

Оптические диски (CD). Компакт-диски являются самым мобильным и дешевым способом хранения информации (0.1$/ГБ в 2007-м году).

Имеет одну спиральную дорожку с началом в центре диска. Информация хранится в виде питов - участков с разной отражающей способностью. Использу-

75

ется бесконтактное (оптическое) снятие информации. Для записи данных используется избыточный код, что сохраняет информацию даже при наличии сильных радиальных царапин. Время доступа 100 мс. Скорость чтения-записи определяется кратностью от 1x до 52x (150-7800кБ/с) для обычных дисков и до 16x (21 МБ/с) для DVD. На одном CD размещается 700 Мбайт, а на одном DVD – более 4 Гбайт информации.

Файловая система аналогична FAT. Таблица размещения файлов называется TOC. Интерфейс также совместим с HD. Однако рекомендуется для HD и CD использовать подключение через различные контроллеры из-за большой разницы в быстродействии.

Флэш-накопители (Flash-card). Стоит порядка 10$/ГБ (2007г.). Являются самым надежным и перспективным способом хранения информации. Время доступа – менее 1 мс. Скорость записи-чтения более 10 МБ/с.

18.1. RAID-системы

RAID (Redundant Arrays of Inexpensive Disks) означает «избыточный массив независимых дисков». Raid массивы уровня 0, 1 используют два одинаковых HD. Одна часть файла записывается на одном, другая – на другом HD.

Благодаря этому линейная скорость чтения/записи почти удваивается. Вместе с тем, время доступа к файлам не уменьшается. Типичная область применения RAID-систем – серверы и видеомонтаж.

Ключевые понятия:

•Массив (Array) – несколько объединенных вместе накопителей,

•Зеркалирование (Mirroring) - данные одновременно пишутся на два диска (рис. 18.1),

•Дуплекс (Duplexing) – зеркалирование с двумя контроллерами (рис. 18.2),

•Чередование или страйпы (Striping) – данные по секторам пишутся одновременно на разные накопители массива,

•Четность (Parity) – используются дополнительные блоки данных (экстраблоки), которые храняться на отдельном диске для возможности восстановления информации. Экстраблок хранит операцию XOR разделенных блоков и имеет объем 20% от них.

RAID 0 - массив, использующий чередование без четности. Вся входящая информация разбивается на блоки фиксированной длины (например, 16 кбайт) и раскидывается на все имеющиеся диски. Позволяет повысить скорость записичтения, но при этом снижается надежность. Время доступа не изменяется.

RAID 1 - является обычным зеркалированием. На два жестких диска пишутся две одинаковые копии данных. Повышается надежность и скорость чтения. RAID 0+1 - зеркало страйпов (рис.18.3.). Обладает высокой скоростью работы и повышенной надежностью. Так, массив из 10 дисков (5 по 2) может остаться работоспособным при отказе до 5 жестких дисков!

RAID 1+0 - страйп зеркал: сначала создаются массивы RAID 1, после чего они объединяются в массив RAID 0 с чередованием.

76

Рис. 18.1. Зеркалирование

Рис. 18.2. Дуплекс

Рис. 18.3. Зеркало страйпов

RAID 5 – сочетание чередования и четности. Здесь контрольные суммы разбрасываются по всем дискам, что позволяет значительно поднять скорость записи. Главный принцип распределения экстраблоков: они не должны располагаться на том же диске, с которого была зашифрована информация.

RAID 0 + Backup – в некоторых случаях для снижения стоимости можно использовать простое копирование RAID-массива на отдельный диск.

Контрольные вопросы

1.Какие характеристики накопителей являются основными?

2.Опишите структуру диска накопителя.

3.Как формируется фрагментация файлов и что дает дефрагментация?

4.Проведите сравнение файловых систем FAT и NTFS.

5.Дайте сравнительные характеристики различных типов накопителей.

77

Часть 4. Компьютерные системы

Лекция 19. Эволюция компьютерных архитектур 2-4 поколений

19.1. ПЭВМ на базе i286

Система увидела свет в 1984г и обладала следующими особенностями:

•контроллер клавиатуры 8042 – новый стандарт AT

•применен набор системной логики – Chipset

•батарейная память CMOS

•часы реального времени с календарем до конца 1999 года

•16-и разрядные шины данных

•использован центральный процессор 80286 и сопроцессор 80287:

-техпроцесс – 1500 нм, 134 тыс. транзисторов nМОП.

-16-и разрядные ядро и интерфейс;

-24-х разрядная адресация памяти (16 МБ)

-тактовая частота от 6 МГц до 20 МГц

-6-и байтная очередь команд

-защищенный режим

-примерно в 10 раз быстрее PC/XT.

Функциональная схема представлена на рис. 19.1.

16

SB

X

CPU

KB AT

CPU

Buff

Buff

ChipSet

80286

BIOS

FPU

SOUND

80287

ISA

M

RTS

. . .

ISA

Buff

RAM

Рис. 19.1. Структура системы i286

Именно с систем на базе i286 началось массовое программирование и использование ПЭВМ стандарта PC.

19.2. ПЭВМ на базе i386

Первая 32-х разрядная система появилась в 1985 г. Ее функциональная схема представлена на рис. 19.2.

78

32 SB 33MHz

ISA

X

CPU

Bridge

Buff

Chipset

80386

DMA

PIC

Clock

FPU

Control

Multi-

PIT

80387

mem

card

Keyb

Cache

VGA

BIOS

256k

RAM

до 32М

Рис. 19.2. Структура системы i386

Ключевые особенности системы на базе 80386:

•частота системной шины повышена до 33-40 МГц с пропускной способностью до 60 МБ/с

•ОЗУ в виде SIP-модулей с временем доступа 60…100 нс и с 2..3 тактами ожидания работает на системной шине

•на системной плате размещена кэш-память до 256 КБ с контроллером

•использован 32-х разрядный процессор 80386 и сопроцессор 80387: техпроцесс – 1500 нм, 275 тыс. транзисторов, работает на частоте системной шины SB 16…40 МГц

- обеспечивает адресацию к 4 ГБ физической и до 64 ТБ виртуальной памяти - улучшенный защищенный режим - виртуальный режим;

- примерно в 30 раз быстрее PC/XT.

19.3. ПЭВМ на базе процессора i486

Система объявлена в 1989 г.

Функциональная схема системы представлена на рис. 19.3. Главные особенности системы на базе процессора 80486:

•предложена шина EISA для серверов

•предложена альтернатива EISA: шина MCA как расширение ISA

•видео-шина VESA 40 МГц (1992 г.)

•новые модули памяти FPM DRAM

•использовано новое поколение процессоров 80486:

-техпроцесс 1000-600 нм, 1.2-1.6 млн. транзисторов, частота ядра до 150 МГц;

-введен коэффициент умножения х2 и х3 ядра;

-введена в ядро кэш-память первого уровня L1 8 КБ Гарвардской архитектуры (кэш L2 размещалась на системной плате);

79

SB

EISA/ISA

X

CPU

Bridge

Buff

Chipset

80486

FPU

MCA

Cache L1

Contr.

Pipeline

VESA

BIOS

Contr.

Contr.

Cache L2

RAM

Рис. 19.3. Структура системы i486

применен 5-и стадийный конвейер:

Рис. 19.4. Работа конвейера 486

-сопроцессор размещен на кристалле;

-введены пакетные циклы (burst) шины данных, позволяющие передавать очередное слово в каждом такте шины (а не через такт);

-введены дополнительные буферы и регистры;

-увеличена очередь команд до 16 байт;

-введен расширенный набор команд для мультимедийных приложений;

-примерно в 100 раз быстрее CPU 8088.

Контрольные вопросы

1.Какова структура компьютерной системы на базе i286?

2.Почему процессор i386 называют революционным?

3.Какова структура ПЭВМ на базе i386?

4.Как функционирует конвейер в CPU i486?

5.Назовите особенности системы на основе CPU i486.

80