Лекция9 (Лекции по микропроцессорной технике)

10

тема: ВНЕШНИЕ УСТРОЙСТВА. ВЗУ.

Вопросы:

1. Дисковые накопители

2. Стриммер и оптические запоминающие устройства

Литература:

1 вопрос: [1] стр. ;

2 вопрос: [1] стр. ;

К внешней памяти относятся устройства, позволяющие автономно сохранять информацию для ее последующего использования независимо от состояния (вкл. или выкл.) ЭВМ. Эти устройства могут использовать различные физические принципы хранения информации – магнитный, оптический, электронный в любых их сочетаниях.

Внешние запоминающие устройства связываются с МП через системную магистраль при помощи устройства управления (контроллера).

Контроллер необходим для двух целей:

• управления ВЗУ;

• связи с МП и ОП.

Традиционными устройствами внешней памяти являются накопители на магнитной ленте и магнитных дисках.

Первые используются как носители информации в специализированных ЭВМ, для станков с ЧПУ и т.п. НМД нашли широкое применение в средних и малых ЭВМ (ПК), где они получили название «винчестера».

1. Дисковые накопители

1.1 Общее устройство

Несмотря на большое разнообразие физических носителей и принципов записи и считывания информации, дисковые накопители имеют своей основой механизм, схематически представленный на рис. 9.1.

Рис.9.1

Слой носителя информации - магнитный, оптический или какой-либо иной - нанесен на рабочие поверхности дисков. Диски вращаются с помощью двигателя шпинделя (Spindel Motor), обеспечивающего требуемую частоту вращения в рабочем режиме. На диске имеется индексный маркер, который, проходя мимо специального датчика, отмечает начало каждого оборота диска. Информация на диске располагается на концентрических треках (дорожках), нумерация которых начинается с внешнего трека (Track 00). Каждый трек разбит на секторы (Sector) фиксированного размера. Сектор является минимальным блоком информации, который может быть записан на диск или считан с него. Нумерация секторов начинается с единицы и привязывается к индексному маркеру. Каждый сектор имеет служебную область, содержащую адресную информацию, контрольные коды и некоторую другую информацию, и область данных, размер которой традиционно составляет 512 байт. Если накопитель имеет несколько рабочих поверхностей (на шпинделе может быть размещен пакет дисков, а у каждого диска могут использоваться обе поверхности), то совокупность всех треков с одинаковыми номерами составляет цилиндр (Cylinder). Для каждой рабочей поверхности в накопителе имеется своя головка (Head), обеспечивающая запись (если это позволяет накопитель) и считывание информации. Головки нумеруются начиная с нуля.

Для того чтобы произвести элементарную операцию обмена - запись или чтение сектора, - шпиндель должен вращаться с заданной скоростью, блок головок должен быть подведен к требуемому цилиндру, и только когда требуемый сектор подойдет к выбранной головке, начнется физическая операция обмена данными между головкой и блоком электроники накопителя. Для записи информации на носитель и ее считывания используются различные методы частотной или фазовой модуляции, позволяющие кодировать и декодировать двоичную информацию в соответствии с природой носителя информации. Контроллер накопителя выполняет сборку и разборку блоков информации (секторов или целых треков), включая формирование и проверку контрольных кодов, осуществляет модуляцию и демодуляцию сигналов головок и управляет всеми механизмами накопителя.

1.2 Подготовка к применению

Перед применением накопителя производится его форматирование: размечаются дорожки и сектора на них, создаются управляющие области дискеты.

Различают два вида форматирования: низкоуровневое и высокоуровневое.

Для современных носителей, совмещенных с контроллером (ATA и SCSI), процедура низкоуровневого форматирования выполняется только производителем с помощью специальных программных средств.

Весь процесс форматирования делится на три части: физическая разметка, создание логических структур и загрузка на диск операционной системы (т.е. физическое, логическое и системное форматирование).

Физическое форматирование состоит в разметке дорожек (trek) и секторов с нанесением обозначений секторов в выделенных на треках служебных областях. Сектора отделяются друг от друга интервалами. Началом отсчета для разметки диска является индекс.

Дорожки нумеруются от 0 до N-1 (где N - общее количество дорожек) от края диска к центру. На физическом уровне сектора нумеруются от 1 до m.

Структура развертки дорожки накопителя после разметки показана на рис. 9.2.

Рис.9.2

Логическое форматирование заключается в оформлении диска соответственно стандартам операционной системы. Цель логического форматирования - создание на диске управляющих таблиц для учета использования имеющихся ресурсов.

Системное форматирование заключается в загрузке на диск резидентных файлов операционной системы.

В результате форматирования образуется функциональная структура диска, изображенная на рис. 9.3.

Рис.9.3

Служебная область дискеты заполняется при форматировании дискеты всегда, системная область - только при создании системной дискеты. Размер служебной области составляет 2% от общей емкости дискеты.

Назначение и структура служебных секторов.

Boot - содержит блок начальной загрузки и занимает 512d байт (200h).

В начале сектора находится NEAR-переход на программу начальной загрузки, затем располагается таблица, характеризующая формат диска. Структура этой таблицы в версиях DOS различна.

Программа начальной загрузки, содержащаяся в ВООТ-секторе, предназначена для считывания с системной дискеты резидентных файлов MS DOS и командного процессора и размещения их в ОП.

Таблица размещения файлов (File allocation table, FAT) отображает структуру области данных диска - текущее распределение области данных дискеты между файлами.

DOS делит всю область данных диска на элементарные логические единицы - кластеры. Если необходимо записать на диск какой-либо набор данных (файл), то независимо от его длины память для этого будет выделяться кластерами. Размер кластера зависит от типа формата. Все кластеры диска имеют свои номера.

FAT дисков состоят из 12-16-битовых элементов. Нулевой элемент содержит идентификатор формата дискеты. Первый элемент FAT содержит код FFF. Начиная со второго, каждый элемент FAT содержит статус соответствующего кластера (свободен - 000, занят - 002-FFO, поврежден - FF1-FF7). Статус занятого кластера содержит либо номер следующего кластера, в котором располагается файл, либо код последнего кластера файла FF8-FFF.

Место на диске, отводимое каждому файлу, состоит из последовательности (цепочки) кластеров. Номер первого кластера, в котором начинается файл, указывается в корневом каталоге. В FAT элемент, соответствующий этому кластеру, содержит номер следующего кластера, в котором находится продолжение файла, и так далее «по цепочке». Последний кластер файла обычно содержит FFF.

Корневой каталог диска содержит информацию о файлах и подкаталогах, размещенных на диске.

Каждый файл в каталоге описан с помощью 32 байт, образующих элемент (строку) каталога. Каждый сектор каталога содержит 512/32=16 строк. В одной из них (обычно в первой) может быть записано имя диска (метка тома).

Структура каталога приведена в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Имя файла и его расширение записываются в кодах ASCII. При записи имени диска эти два поля объединяются, т.е. метка тома может содержать 11 символов. Неиспользованные байты первых двух полей заполняются символами «пробел». Первый байт поля имени файла используется для обозначения стертых файлов (Нех.код 'Е5') и свободных строк в каталоге ('00').

Байт атрибута файла может принимать следующие шестнадцатеричные значения: 01 - файл только для чтения; 02 - скрытый файл; 04 - системный файл; 08 - имя диска; 10 - подкаталог; 20 - архив.

Время и дата создания файла рассчитываются по формулам: время = час  2048 + минуты  32 + секунды; дата = ( год - 1980)  512 + месяц  64 + день.

Длина файла представлена в байтах.

Параметры каталога: время, дата, номер первого кластера, длина файла записываются, начиная с младшего байта.

Оказывается, что при неизменных механических параметрах накопителя и том же числе секторов на треке можно повысить скорость обмена длинными блоками данных за счет особого расположения секторов.

В простейшем случае секторы на треке нумеруются последовательно. После того как требуемый сектор прошел под головкой и его данные из накопителя попали в контроллер, который проверил их достоверность по контрольному коду, данные из контроллера передаются в память компьютера (передача может быть и сквозной, без буферирования в контроллере). После анализа состояния выполнения операции контроллер получает указание на считывание следующего сектора, но он к этому времени уже может пролететь под головкой. Тогда контроллеру придется ждать почти полный оборот диска, пока сектор не подойдет снова. Выходом в такой ситуации является применение чередования секторов (Interleaving), при котором нумерация секторов выглядит иначе (рис. 9.4). Здесь изображена нумерация секторов в случае применения фактора чередования 2:1 (Interleave factor). Секторы с соседними номерами располагаются не рядом, а через один (в нашем случае) или более секторов. За время реакции системы на прием одного сектора под головкой проходят эти «вставки», а к моменту, когда контроллер будет готов принять следующий сектор, он как раз и подойдет к головке. Конечно, если контроллер способен принять цепочку секторов быстро, чередование секторов принесет только дополнительную задержку.

На старых компьютерах XT и АТ с медленными контроллерами правильный выбор фактора чередования позволял повысить скорость обмена данными в несколько раз. В современных накопителях со встроенными быстродействующими контроллерами, способными благодаря наличию буферной памяти значительного объема за одну операцию записать или считать все секторы трека, чередование секторов не применяют (это можно рассматривать и как применение фактора чередования 1:1).

Рис.9.4

После того как будет считан последний сектор одного трека, потребуется переход на следующий трек. При переходе в пределах одного цилиндра потребуется только переключение головок, на что уйдет порядка десятка микросекунд, но дополнительную задержку может вносить контроллер. За это время первый сектор следующего трека может уйти, и опять придется пропускать почти полный оборот. Чтобы этого не случилось, вводят послойное смещение секторов. Однако более существенную задержку – единицы миллисекунд – вносит перемещение головок на соседний цилиндр. Для учета этой задержки вводят радиальное смещение секторов (Radial Skew) соседних цилиндров.

Если чередование секторов задается чисто программно указанием последовательности номеров секторов в команде форматирования трека, то для задания послойного и радиального смещения общепринятый программный интерфейс отсутствует.

Смещение применяется только для накопителей со встроенными контроллерами (ATA и SCSI).

1.3 Параметры дисковых накопителей

Перечислим основные параметры носителей и поясним их смысл.

Форматированная емкость (Formatted Capacity) представляет собой объем хранимой полезной информации, т.е. сумму полей данных всех доступных секторов. Неформатированная емкость (Unformatted Capacity) представляет собой максимальное количество бит, записываемых на всех треках диска, включая и служебную информацию (заголовки секторов, контрольные коды полей данных).

Соотношение форматированной и неформатированной емкости определяется форматом трека (размером сектора), но, поскольку для пользователя свободы выбора формата нет, практический интерес представляет только форматированная емкость диска, которая указывается для стандартного размера сектора – 512 байт.

Интерфейс (Interface) определяет способ подключения накопителя. Для накопителей со встроенным контроллером распространены интерфейсы АТА, он же IDE и SCSI. Из накопителей с внешним контроллером в настоящее время актуальны только НГМД со своим собственным интерфейсом.