Шмаков 3 сем / Лекции / Шмаков_ЭВМиВС. Курс Лекций
.pdfотносительно долго. Пользователи, не желающие возиться с настройкой АРМ (установкой параметров CMOS Setup и ОС), часто просто запрещают работу АРМ, в результате их компьютер всегда готов к работе, но, возможно, потребляет больше энергии, чем необходимо.
Вопрос энергосбережения стоит особо остро для мобильных (блокнотных) ПК при питании от аккумуляторов.
Помимо энергопотребления, АРМ снижает шум работающего компьютера: шумят вентиляторы блока питания, процессора и видеокарт; шумят винчестеры и приводы CD и DVD, особенно высокоскоростные. Если охлаждаемые устройства переходят в энергосберегающий режим, то можно снизить и скорость вращения вентиляторов, а следовательно, и их шум. Современные винчестеры позволяют регулировать уровень шума: появляется выбор между быстрой, но шумной работой и тихой, но менее производительной.
В плане управления потреблением различают следующие состояния устройств (в порядке «углубления сна»):
–on — активная (нормальная) работа, полное потребление, максимальная производительность;
–standby — отключение питания некоторых узлов, с возможностью быстрого (порядка секунды) перехода в активное состояние;
–suspend — более глубокое отключение (например, строчной развертки и накала трубки монитора), выход из которого (resume) требует единиц – десятков секунд;
–off — отключение питания всех узлов, кроме цепей, обеспечивающих последующее включение по команде.
Для ряда устройств (в том числе процессоров) применяют и иные названия состояния, например sleep (сон) и deep sleep (глубокий сон). Для других устройств применимо понятие уровня активности (АРМ level), который выражается численно: 0 — минимальное потребление, 255 — максимальная активность. Кроме того, имеется состояние механического отключения, когда устройство обесточено механическимвыключателеминикакойменеджерАРМегоуженевключит.
Конечно, самый тихий и холодный компьютер — выключенный, но его «пробуждение» (включение) требует загрузки ОС и приложений, которые, по мере технического прогресса, требуют все больше времени на разгрузку. В принципе, можно процесс загрузки обойти, для чего достаточно сохранить все содержимое ОЗУ, а также содержимое всех регистров процессора и внутренних регистров (буферов памяти) всех устройств, например, на жестком диске. После этого можно обесточить компьютер, а по включении быстро восстановить запомненное состояние и продолжить работу с точки останова. Такой способ «усыпления» называется «зимней спячкой» (hibernate), при
101
этом сохранение и восстановление состояния компьютера занимает всего десятки секунд. Приложения, работа которых была приостановлена, продолжают работу с того места, на котором были остановлены. В принципе, пользоваться таким способом выключения компьютера можно сколь угодно большое число раз, но на практике периодически приходится перезагружать ОС и приложения в обычном режиме. К этому вынуждают и сбои работы ОС и приложений, и накапливающиеся «отходы» памяти, которые не всегда могут быть использованы до перезагрузки. Для подстраховки перед усыплением компьютера рекомендуется все-таки явно сохранять пользовательские файлы на диске – риск невозможности восстановления состояния после включения хоть и невелик, но есть. Менее радикальный способ «усыпления», называемый Standby, сводится к остановке винчестеров, выключению дисплея, максимальному торможению процессора и всех остальных устройств. При этом состояние подсистем компьютера сохраняется, но на своих местах (данные остаются в памяти, регистрах процессора и всех устройств). Переход в нормальный режим происходит гораздо быстрее (время уходит только на раскрутку диска и на прогрев монитора, и то если он традиционный электронно-лучевой). Однако в таком состоянии компьютер все-таки потребляет заметную мощность, вентилятор настольного ПК продолжает работать. Надежность сохранения состояния получается ниже: провал (скачок) питания, толчки, способные нарушить контакт в модулях памяти или карт расширения, и прочие возмущения могут привести к потере состояния (впрочем, как и в нормальном рабочем режиме).
Система управления потреблением настраивается параметрами
CMOS Setup (раздел Power Management), а также средствами совре-
менных ОС, включая Windows 9х/200х/ХР. Основной аппаратной базой управления являются системная плата и BIOS, поддерживающие спецификацию ACPI (а прежде, АРМ). Возможность программного включения обеспечивает «дежурный» (standby) источник блока питания АТХ; также важна поддержка АРМ и ACPI периферийными устройствами. Для быстрого запуска со стороны BIOS предусматривается сокращение времени выполнения начального теста POST — подробное тестирование может выполняться лишь при обнаружении проблем во время предыдущей загрузки. Время от включения до начала загрузки ОС стремятся сократить до нескольких секунд; правда, процесс может затянуться медленно запускаемыми дисками или необходимостью инициализации всего объема ОЗУ при обнаружении и коррекции ошибок (ЕСС). В BIOS должна быть возможность отключить визуализацию теста POST — тогда после включения ПК, если все в порядке, пользователь увидит заставку загружаемой им ОС.
102
7. ВНЕШНЯЯ ПАМЯТЬ
7.1. Жесткий диск
Жесткий диск предназначен для долговременного хранения больших объемов информации.
Общие положения
Время доступа (Acces time) – период времени, необходимый накопителю на жестком диске для поиска и передачи данных в память или из памяти. Быстродействие накопителей на жестких магнитных дисках часто определяется временем доступа (выборки).
Кластер (Cluster) – наименьшая единица пространства, с которой работает ДОС в таблице расположения файлов. Обычно кластер состоит из одного или более секторов. Количество секторов зависит от типа диска. Многие жесткие диски имеют кластеры из четырех секторов или 2048 байтов. Поиск кластеров вместо отдельных секторов сокращает издержки ДОС по времени. Крупные кластеры обеспечивают более быструю работу накопителя, поскольку количество кластеров в таком случае меньше, но при этом хуже используется пространство (место) на диске, так как многие файлы могут оказаться меньше кластера и оставшиеся байты кластера не используются.
Контроллер (УУ) (Controller) – схемы, обычно расположенные на плате расширения, обеспечивающие управление работой накопителя на жестком диске, включая перемещение головки и считывание, запись данных.
Головка накопителя (Drive head) – механизм, который перемещается по поверхности жесткого диска и обеспечивает электромагнитную запись или считывание данных.
Таблица размещения файлов (FAT) (File Allocation Table (FAT)) –
запись, формируемая ДОС, которая отслеживает размещение каждого файла на диске и то, какие сектора использованы, а какие - свободны для записи в них новых данных.
Зазор магнитной головки (Head gap) – расстояние между голов-
кой накопителя и поверхностью диска.
Чередование (Interleave) – отношение между скоростью вращения диска и организацией секторов на диске. Обычно скорость вращения диска превышает способность компьютера получать данные с диска. К тому моменту, когда контроллер производит считы-
103
вание данных, следующий последовательный сектор уже проходит головку. Поэтому данные записываются на диск через один или два сектора. С помощью специального программного обеспечения при форматировании диска можно изменить порядок чередования.
Логический диск (Logical drive) – определенные части рабочей поверхности жесткого диска, которые рассматривают как отдельные накопители. Некоторые логические диски могут быть использованы для других операционных систем, таких как, например, UNIX.
Парковка (Park) – перемещение головок накопителя в определенную точку и фиксация их в неподвижном состоянии над неиспользуемыми частями диска, для того, чтобы свести к минимуму повреждения при сотрясении накопителя, когда головки ударяются о поверхности диска.
Разбивка (Partitioning) – операция разбивки жесткого диска на логические диски. Разбиваются все диски, хотя небольшие диски могут иметь только один раздел.
Диск (Platter) – металлический диск, покрытый магнитным материалом, на который записываются данные. Накопитель на жестких дисках имеет, как правило, более одного диска.
RLL (Run-length-limited) – кодирующая схема, используемая некоторыми контроллерами для увеличения количества секторов на дорожку для размещения большего количества данных.
Время позиционирования (Seek time) – время, необходимое го-
ловке для перемещения с дорожки, на которой она установлена, на какую-либо другую нужную дорожку.
Дорожка (Track) – концентрическое деление диска. Дорожки похожи на дорожки на пластинке. В отличие от дорожек пластинки, которые представляют собой непрерывную спираль, дорожки на диске имеют форму окружности. Дорожки в свою очередь делятся на кластеры и сектора.
Сектор (Sector) – деление дисковых дорожек, представляющее собой основную единицу размера, используемую накопителем. Секторы ДОС обычно содержат по 512 байтов.
Цилиндр (Cylinder) – дорожки, расположенные напротив друг друга на всех сторонах всех дисков.
Время перехода с дорожки на дорожку (Track-to-track seek time) –
время, необходимое для перехода головки накопителя на соседнюю дорожку.
104
Скорость передачи данных (Transfer rate) – объем информации,
передаваемый между диском и ЭВМ в единицу времени. В него входит и время поиска дорожки.
Устройство жесткого диска
В основе функционирования винчестера лежит принцип магнитной записи/считывания сигналов на/с диск, покрытый магниточувствительным рабочим слоем. Каждая сторона диска, покрытая рабочим слоем, называется рабочей поверхностью.
При записи цифровые данные преобразуются в аналоговые электрические сигналы, создающие с помощью головки записи участки с различной намагниченностью, расположенные вдоль окружности по всей рабочей поверхности вращающегося диска (так называемые треки или дорожки). Размеры участков и расстояние между соседними дорожками определяют поверхностную плотность записи данных.
При чтении участки диска движутся под магнитной головкой и индуцируют в ней электрические сигналы, которые преобразуются в цифровые данные.
Жесткий диск (рис. 7.1) можно условно разделить на две составные части: механическую и электронную. Современные винчестеры устроены очень сложно. До 90% стоимости устройства составляет прецизионная механика.
Рис. 7.1. Устройство НЖМД
105
Механическая, основная, часть выполняет самую низкоуровневую работу и состоит, прежде всего, из корпуса, шпинделя, электродвигателя, носителей информации – дисков, позиционера и блока магнитных головок.
Электронная часть представляет собой обычную плату с напаянными на ней элементами, где, помимо резисторов, диодов и конденсаторов, нахо-
дятся память, процессоры, «инженерный цилиндр» и т. д.
Привод выполняет важнейшую роль: он, будучи подключенным к шпинделю, на котором крепятся носители информации, раскручивает его и, соответственно, носители. К двигателю подключается источник тока с напряжением в 5 или 12 В, что позволяет современным моделям раскручивать шпиндель до 15 тыс. оборотов в минуту! Впрочем, этот показатель ограничен не возможностями двигателя – тут масса других проблем: шумовые, тепловые и, прежде всего, ограничения, связанные со считыванием информации с магнитных носителей. Шпиндель крепится к жесткому диску не напрямую, а через подшипники, которые сводят к минимуму трение в осях шпинделя, вследствие чего минимизируются шум и выделяющееся в результате трения тепло. В современных моделях используются гидравлические подшипники.
Рис. 7.2. Винчестер без защитного кожуха
106
В качестве хранителей данных выступают тонкие пластинки толщиной примерно 2 мм, на которые с обеих сторон нанесено магнитное покрытие, обладающее способностью менять свои свойства под воздействием электромагнитных излучений. Раньше они выполнялись из стекла, сейчас используются преимущественно пластики – это «дешево, надежно и практично», но притом еще и эстетично. В качестве магнитного покрытия сейчас, в основном, используют окись хрома – вещество, которое, в отличие от ранних материалов – окиси железа, сохраняет свои магнитные свойства значительно более длительный срок. Магнитное покрытие чрезвычайно чувствительно к физическим на него воздействиям, поэтому на каждой пластине есть так называемая «парковочная зона» – область пластины у шпинделя, где не содержится никакой информации и куда опускается после завершения работы считывающая и записывающая информацию магнитная головка. В современных жестких дисках, с целью повысить их вместительность, нередко используется несколько пластин.
Рис. 7.3. Внешний вид блока головок
Головки (рис. 7.3) предназначены для чтения и записи информации на пластины и представляют собой совокупность замкнутых контуров, выполненных из тонкой проволочки в пластике, и излучателей электромагнитных колебаний.
Все это крепится на упругом крылышке, так называемом позиционере – алюминиевой «руке», способной перемещаться между краем пластины и шпинделем. Оно обеспечивает перемещение головок к нужному месту на поверхности пластин. Головки расположены с обеих сторон блина и подпружинены таким образом, что в свободном состоянии головка ложится на поверхность носителя. Шпиндель с блинами очень быстро вращаются вокруг своей оси, и вследствие этого вращающиеся пластины увлекают за собой потоки воздуха, благодаря
107
которым головка «летает» над магнитным покрытием блина на расстоянии 0,13 мкм от него. Следует пояснить, что магнитное вещество намагничивается неравномерно и при быстром вращении блинов относительно неподвижной головки в замкнутом контуре возникают электромагнитные колебания. Эти колебания, собственно, и представляют собой прочитанную информацию, они поступают в его электронную часть, где, после обработки, идут по шлейфу на материнскую плату.
Рис. 7.4. Головка в зоне «парковки»
Запись информации выполняется аналогичным путем, но в обратном порядке. Процессор устройства генерирует электромагнитные импульсы, поступающие на головку, производящую запись информации. Эти колебания излучаются в сторону магнитного покрытия, вследствие чего оно меняет свои магнитные свойства. При снижении скорости вращения ниже номинальной величины или выключения питания, процессор винчестера отводит головки ближе к шпинделю, в так называемую «парковочную зону» (рис. 7.4), где головки ложатся на поверхность пластины. «Парковка» необходима для сохранности головок и информации, находящейся на поверхности пластин. В случае если головка «упадет» на ту часть поверхности пластины, где содержится информация, могут запросто повредиться и данные, и сама головка. Именно поэтому резкое обесточивание диска в момент интенсивной работы может вызвать его повреждение. Головка попросту не успевает достичь «парковочной зоны» и падает на данные, вызывая их повреждение.
Пакет дисков с двигателем и блок головок размещаются в специальном герметичном металлическом корпусе со съемной крышкой,
108
который называется гермоблоком или камерой. Ее внутренний объем не изолирован от внешней среды – обязательно предусматривается возможность перетока воздуха снаружи в камеру и наоборот. Это необходимо для выравнивания давления внутри камеры с внешним давлением для предотвращения деформаций корпуса.
Остальная электроника винчестера менее уязвима и находится на отдельной плате за пределами гермоблока. По своей структуре она очень напоминает отдельный компьютер, т. к. среди основных компонент значатся: центральный процессор, ОЗУ (буфер диска), ПЗУ с программой управления, а также DSP (Digital Signal Processor), слу-
жащий для обработки считанных сигналов и подготовки записываемых.
Вся эта сложная электроника обеспечивает управление приводами головок и дисков. В современных моделях есть устройство для отключения винчестера при отсутствии запросов к нему.
Самый распространенный формфактор ширины диска, конечно же, 3,5 дюйма, но можно встретить 1,8 или 5,25 дюймовые модели.
Геометрия жесткого диска
Пластины накопителя изготовляются из металла или стекла и имеют с одной или обеих сторон магнитный слой, на который и происходит запись информации. Сторона пластины с нанесенным магнитным слоем называется рабочей поверхностью. Поверхности пластин тщательно отполированы и покрыты ферромагнитным слоем. Материал покрытия и количество слоев (магнитный слой может состоять из нескольких слоев разных материалов) может быть различным для разных накопителей. На каждую рабочую поверхность приходится по одной головке (на самом деле в современных накопителях для увеличения плотности записи применяются отдельные головки записи и чтения, изготовленные по различным технологиям). Поверхность пластины разбивается на тонкие концентрические кольцевые зоны, называемые дорожками (рис. 7.5). А каждая дорожка, в свою очередь, делится на несколько участков, получивших названия секторов.
Дорожки – это концентрические окружности (т. е. у всех у них центр находится в одной точке), вдоль которых располагается записанная на диске информация. Каждая дорожка имеет свой собственный номер. Нумерация производится по порядку, начиная с нулевой
109
Рис.7.5. Логическая структура жесткого диска
дорожки по направлению от края пластины к шпинделю винчестера. Цилиндром называют совокупность двух дорожек с одинаковыми номерами, расположенных на противоположных сторонах пластины.
Сектор можно условно разделить на две области: область дан-
ных и область служебной информации. Служебная информация запи-
сывается на пластину один раз на заводе-изготовителе и в дальнейшем не подлежит изменению. Служебная область включает уникальный адрес сектора в накопителе, по которому его опознает контроллер при записи или считывании информации.
Область данных содержит полезную информацию, записываемую на накопитель. Эта область может быть многократно изменена в период эксплуатации. Объем области данных несколько превосходит информационную емкость сектора за счет дополнительной информации – для верификации и, возможно, исправления ошибок. Область данных сектора может быть обновлена только целиком. Т. е. на накопитель нельзя записать один или десять байт – только сектор целиком. Все головки перемещаются синхронно, и этот процесс занимает некоторое время. Совокупность дорожек на разных пластинах доступных одновременно при неизменном положении головок называется цилиндром. С точки зрения производительности дисковой системы целесообразно последовательные данные располагать в пределах одного цилиндра.
110