Интерфейсы современных ПК

Внешние интерфейсы современных ПК
Внешние шины ПК
(Шины, объединяющие компьютер с внешними устройствами, называются внешними)
•
•
•
•
•
•
•
•

Параллельный интерфейс LPT-Line Printer-IEEE1284
Последовательный интерфейс RS-232 (Recomendet Standart)
RS485-RS422
Последовательный интерфейс PS/2
Последовательный интерфейс IrDA
Последовательный интерфейс USB-Universal Serial Bus
Последовательный интерфейс FireWire или iLink (IEEE1394)
Параллельные интерфейсы для подключения HDD (Hard Disк Drive) –
PATA- интерфейсы-IDE (Integrated Drive Electronics) он же ATA ( Advanced
Technology Ettachment, EIDE (Enchanced IDE) он же Fast ATA,
 SCSI (Small ComputerSystem Interface)
• Последовательные интерфейсы для подключения HDD-SATA-(Serial ATA)
 SATA-1
 SATA-2
• Последовательные беспроводные интерфейсы
Интерфейсы по
способу
передачи
информации
Последовательн
ые
Параллельные
LPT-порт
ATA
SCSI
СОМ-порт
SATA
USB
Баспроводные
интерфейсы
 IEEE 802.15 (Bluetooth)
 IEEE 802.11 (Wi-Fi)
 IEEE 802.16 (Wi-MAX)
Последовательный интерфейс для передачи данных использует одну
сигнальную линию, по которой информационные биты передаются друг за
другом последовательно. Отсюда – название интерфейса и порта.
Английские термины – Serial Interface и Serial Port. Последовательная
передача позволяет сократить количество сигнальных линий и увеличить
дальность связи. Характерной особенностью является применение не-ТТЛ
сигналов. Примеры: интерфейсы RS-232C, RS-422А, RS-423A, RS-485,
токовая петля, MIDI, а также СОМ-порт.
Параллельный порт (LPT) используется для подключения принтера
(плоттера, сканера, внешних ЗУ). Интерфейс параллельного порта выполнен
в соответствии с интерфейсом Centronics (получившим название по имени
американской фирмы – производителя принтеров, предложившей в свое
время собственный интерфейс для принтера). Использует ТТЛ сигналы (+5 В
и 0 В). Имеется три основных режима работы: SPP, ECP и EPP. EPP
поддерживает большие скорости передачи данных.
PCI (Peripherial Component Interconnect) шина. Разработана Intel и
служит для подключения устройств расширения Шина 32-разрядная,
работает на частоте 33 МГц (что обеспечивается переменным делителем).
Соответственно, пропускная способность — 133 Мб/с. Шина PCI
поддерживает режим работы Bus Маstering. То есть PCI-устройство может
захватить управление шиной и организовать передачу данных без участия
процессора. В мостовой архитектуре чипсета поддержка PCI обеспечивалась
северным мостом, в хабовой за нее отвечает южный. В первом случае кроме
передача данных от PCI-устройств, шина PCI выполняла еще одну задачу —
обеспечивала связь между северным и южным мостами (то есть, фактически,
между оперативной и дисковой памятью).
Следующая шина — шина AGP. Расшифровывается это как
Accelerated Graphics Port. Разработан стандарт AGP был фирмой Intel, и,
соответственно, впервые поддержка AGP появилась в чипсете Intel ВХ. С
появлением AGP видеокарте фактически была выделена собственная
скоростная шина к памяти (контроллер AGP находился в северном мосту,
контроллер памяти - там же). Сделано это было, чтобы освободить шину PCI
от потока данных, требующегося для работы появившихся примерно в то же
время 3D-ускорителей. Шина AGP 32-разрядная и работает на частоте 66
МГц. Соответственно ее пропускная способность — 266 Мб/с. Затем
последовали спецификации AGP 2Х , 4Х ,8X, обеспечивающие пропускные
способности 533 Мб/с , 1066 Мб/с и 2128 Мб/с. AGP позволяет видеокарте
напрямую работать с оперативной памятью и использовать часть ее в
качестве текстурной памяти.
При тактированни AGP переменный
коэффициент умножения и частота AGP остается равной 66 МГц
EIDE (Enhanced Integrated Drive Electronics). Первоначально
интерфейс был разработан для подключения накопителей к ПК типа IBM PC
AT и назывался IDE (Integrated Drive Electronics). Название интерфейса IDE
образовалось вследствии того, что все управление винчестером находится в
нем самом. Интерфейс IDE за почти двадцатилетнюю историю практически
не изменился, оставаясь укороченной версией системной шины IBM PC AT,
и лишь периодически подвергался модернизации для увеличения скорости
обмена между винчестером и системной платой. Его модернизация под
названием АТА (AT Attachment, ранее EIDE – Enhanced IDE), которая
коснулась только протоколов обмена и соединительного шлейфа, режимов
работы интерфейса. Были введены дополнительные режимы работы (так
называемые PIO-режимы (Programmed I/O) и (U)DMA-режимы). При PIOрежимах программно задается скорость обмена через интерфейс. Обмен по
каналу DMA занимает исключительно шины ввода/вывода и памяти.
Процессору требуется выполнить только процедуру инициализации канала,
после чего до прерывания от устройства в конце передачи блока он свободен
(этим могут воспользоваться многозадачные системы). Новейшее
достижение – режим Ultra DMA, позволяющий достигнуть скорости
передачи 133 Мбайт/с и обеспечить достоверность передачи, чего не
делалось ни в PIO, ни в стандартных режимах DMA. Все варианты
интерфейса (к названию прибавляется номер) совместимы по электрическим
и механическим характеристикам. В табл. 9, 10 приведены возможности
интерфейса IDE в различных режимах.
Таблица 9
Параметры режимов передачи (PIO mode)
PIO mode
Минимальное
Скорость передачи
время цикла, нс
Мбайт/c
Интерфейс
0
600
3.3
ATA
1
383
5.2
ATA
2
240
8.3
ATA
3
180
11.1
EIDE, ATA-2
(используется IOREADY)
4
120
16.6
EIDE, Fast ATA-2
(используется IOREADY)
Таблица109
Возможности интерфейса IDE в различных режимах (U)DMA
Режим
Тип
Скорость, Мбайт/с
Single word DMA Mode 0
2.08
Single word DMA Mode 1
4.16
Single word DMA Mode 2
8.33
Multiword DMA Mode 0
4.12
Multiword DMA Mode 1
13.3
Multiword DMA Mode 2
16.6
UDMA Mode 0
АТА 16
16,6
UDMA Mode 1
АТА 25
25
UDMA Mode 2
АТА 33
33
UDMA Mode 3
АТА 48
48
UDMA Mode 4
АТА 66
66
UDMA Mode 5
АТА 100
100
SCSI
(Small
ComputerSystemInterface –
интерфейс
малых
компьютерных систем). Первоначально этот интерфейс появился в 1980 году
для работы с дисковыми подсистемами. В настоящее время существует
несколько спецификаций интерфейса, отличающихся параметрами
подключаемых устройств, пиковой пропускной способностью, максимальной
длиной шлейфа. В качестве SCSI-устройств сейчас чаще всего выступают
высокоскоростные компоненты с большим объемом передаваемых данных:
жесткие диски, CD-дисководы, сканеры. По-видимому, SCSI будет
постепенно вытесняться более современным и удобным интерфейсом
IЕЕЕ1394.
Для обеспечения работы компонентов с интерфейсом SCSI требуется
наличие на компьютере специального SCSI хост-адаптера (вставляемого в
слот расширения или встроенного в системную плату), который согласует
сигналы устройства со спецификациями шины системной платы, присваивает
идентификационные
номера
подключенным
SCSI-компонентам,
обрабатывает данные с помощью специального драйвера. К сегодняшнему
дню имеются следующие спецификации SCSI:
 оригинальная (или SCSI-1);
 Fast SCSI-2;
 FastWide SCSI-2;
 Ultra SCSI-2;
 UItraWide SCSI-2;
 Ultra SCSI-3 (ULTRA 160 SCSI);
 Ultra 320 SCSI.
Скорость передачи данных варьируется от 5 Мбайт/с (SCSI-1) до 320
Мбайт/c (Ultra 320 SCSI), частота шины от 5 МГц (SCSI-1) до 40 МГц (SCSI3), количество поддерживаемых устройств от 8 (SCSI-1, Fast SCSI-2, Ultra
SCSI-2) до 16 (остальные спецификации SCSI), длина шлейфа от 1,5 м (Ultra
SCSI-2, UltraWide SCSI-2) до 12 м (Ultra SCSI-3). Все устройства SCSI
подключаются по цепочке, причем первое (т. е. SCSI хост-адаптер) и
последнее устройства в цепочке должны иметь терминаторы (активные или
пассивные), обеспечивающие определенные электрические характеристики
(по напряжению и сопротивлению) в цепи.
Serial ATA и Serial ATA II. Пришедший на смену параллельному
ATA-интерфейсу последовательный ATA избавил пользователей от проблем
с неудобством широких разъемов, плохой масштабируемостью и
сравнительно невысокой скоростью передачи данных. Маленькие удобные
кабели и скорость передачи данных 150 Мб/с (с увеличением в дальнейшем
до 300, а затем и до 600 Мб/с) вместе с отличной масштабируемостью Serial
ATA решений благоприятно повлияли на популярность SATA-устройств.
Последовательный интерфейс Serial ATA вместо громоздкого плоского
кабеля с 80 проводниками использует тонкий коаксиальный провод длиною
до 1 м, по которому данные будут передаваться в виде отдельных битов с
разницей в уровнях напряжения всего 0,5 В. Подвергся модификации и
разъем питания, в котором предложено использовать 5 линий.
Дополнительное напряжение составляет 3,3 В. Немаловажным достоинством
интерфейса Serial ATA является и то, что уменьшаются габариты разъемов. В
совокупности со всем остальным это позволяет начать действительно
реальный процесс сокращения габаритов системных блоков персональных
компьютеров. Пользователям доступны переходники, которые позволят
совместно использовать устройства с интерфейсами IDE и Serial ATA. To
есть можно будет подключить винчестер с интерфейсом Serial ATA к любой
старой системной плате, а к системной плате с интерфейсом Serial ATA
подключить традиционный винчестер.
В сентябре 2003 года Intel продемонстрировала прототип
SATA-II-устройства. Serial ATA II – расширение спецификации SATA для
серверов и высокопроизводительных рабочих станций. В частности, SATA-II
обеспечит скорость работы до 300 Мб/с, улучшенный интерфейсный кабель
(SATA-II CabCon), мультипликатор портов для увеличения числа
подключаемых устройств, а также селектор портов для резервных
соединений и повышения надежности системы. Хоть обновленная
технология еще находится в стадии разработки, по доступным данным о ней
(см. выше) уже можно делать выводы о направлениях дальнейшего развития
стандарта.
PS/2 интерфейс – шестиштырьковый мини-разъем. Синхронный
интерфейс PS/2 использует две раздельные сигнальные линии, одну – для
передачи данных, другую – для сигналов синхронизации. Сейчас
применяется для подключения мыши, хотя все больше уступает USB.
Теоретически по шине USB можно подключать до 127 устройств.
Обмен данными с быстродействующими устройствами осуществляется на
скорости 12 Мбит/с, а с медленными – на 1,5 Мбит/с. Имеющаяся в составе
шины USB линия питания с допустимым током нагрузки до 500 мА во
многих случаях позволяет периферии обходиться без дополнительных
источников. Все устройства подключаются в горячем режиме и
автоматически конфигурируются благодаря поддержке режима Plug and Play.
USB 2.0 унаследовал все достоинства USB 1.1. Максимальная скорость
обмена увеличилась в 40 раз и составила 480 Мбит/с. USB 2.0 может быть
востребован в первую очередь в качестве интерфейса внешних накопителей
данных. Речь идет о приводах DVD, CD-RW и различных мобильных
компактных носителях. К подобным аппаратам относятся цифровые, видео- и
фотокамеры.
Единственным реальным соперником USB 2.0 в борьбе за
пользователей является интерфейс FireWire, называемый также IEEE 1394. В
настоящее время этот стандарт все еще дороже своего конкурента и менее
распространен. Изобретателем нового высокоскоростного последовательного
интерфейса, который сначала разрабатывался как скоростной вариант SCSI,
является фирма Apple. Скорость передачи данных шины IEEE 1394 – 100,
200, 400 Мбит/c, количество устройств – до 63. Как и USB, шина IEEE 1394
обеспечивает возможность переконфигурации аппаратных средств
компьютера без его выключения.
IrDA относится к категории wireless (беспроводных) внешних
интерфейсов, однако в отличие от радиоинтерфейсов, канал передачи
информации создается с помощью оптических устройств. Среди других
беспроводных линий передачи информации инфракрасный (ИК) открытый
оптический канал является самым недорогим и удобным способом передачи
данных на небольшие расстояния (до нескольких десятков метров).
Технически сам порт IrDA основан на архитектуре коммуникационного
СОМ-порта ПК, который использует универсальный асинхронный
приемопередатчик UART и работает со скоростью передачи данных 2400–
115 200 бит/с. Связь в IrDA полудуплексная. Первым стандартом, принятым
IrDA (Infrared Data Association), был так называемый Serial Infrared standart
(SIR). Данный стандарт позволял обеспечивать передачу информации со
скоростью 115,2 Кбит/с. В ноябре 1995 года Microsoft Corporation заявила о
внесении программного обеспечения, обеспечивающего инфракрасную связь,
использующую IrDA-standart, в стандартный пакет операционной системы
Windows 95. На данный момент IrDA-standart – самый распространенный
стандарт для организации передачи информации по открытому
инфракрасному каналу.
В настоящее время используются следующие семейства стандартов
беспроводного соединения: IEEE 802.15 (Bluetooth) для организации
“точечной” связи (на минимальных расстояниях), IEEE 802.11 (Wi-Fi) – для
создания ЛВС на небольших расстояниях (офис, дом) и IEEE 802.16 (WiMAX) – для предоставления услуг беспроводной связи в пределах города.
Активно продвигаемая консорциумом Bluetooth Special Interest Group
(Bluetooth SIG) технология Bluetooth предназначена для построения так
называемых персональных беспроводных сетей (personal area network).
Оборудование Bluetooth работает в диапазоне частот 2,4 ГГц, для передачи
трафика используется метод расширения спектра со скачкообразной
перестройкой частоты. Суммарная пропускная способность сетей Bluetooth –
780 Кбит/с. При использовании асинхронного протокола максимальная
скорость однонаправленной передачи данных составляет 722 Кбит/с.
Согласно спецификации Bluetooth два совместимых устройства должны
взаимодействовать друг с другом на расстоянии до 10 м.
Wi-Fi (WirelessFidelity – беспроводная точность) – некоммерческий
альянс по стандартизации сетевого оборудования 802.11. Одна точка доступа
Wi-Fi может обслуживать определенное количество подключающихся
пользователей в радиусе около 100 м (скорость подключения – до 54 Мбит/с
при использовании 802.11g). Хотя таких точек доступа пока относительно
немного, в ближайшее время количество их должно значительно
увеличиться: согласно прогнозам Dataquest, стоит ожидать увеличения их
числа с 73 в 2001 до 34 840 в 2007 году. Кстати, в прошлом году в Европе
насчитывалось более 3 млн устройств с возможностью подключения к
беспроводным сетям, а в этом году их количество должно удвоиться.
Wi-MAX – некоммерческая организация, призванная обеспечить
совместимость и взаимодействие систем, реализованных на базе стандарта
802.16а. Базовые станции 802.16а обеспечивают широкополосный доступ к
сети на скоростях до 75 Мбит/с на расстоянии 6–9 км (стандартная зона
уверенного приема; максимальный радиус действия – 40 км). 802.16а и
802.11b гармонично дополняют друг друга: базовая станция 802.16
обслуживает точки доступа 802.11 в радиусе действия, а те, в свою очередь,
предоставляют услуги беспроводной связи мобильным компьютерам
конечных пользователей. Пока беспроводная связь является довольно
дорогой игрушкой, но с увеличением спроса на беспроводные решения и
полной стандартизацией решения для организации точек доступа и сами
базовые станции должны сильно подешеветь.
Сравнение интерфейсов PC. Чтобы можно было сравнить
возможности различных интерфейсов, в табл. 9, 10,11,12 приведены для
некоторых из них максимальные скорости передачи информации. При
планировании конфигурации компьютера нужно стремиться избежать узких
мест, препятствующих повышению общей производительности системы и не
допустить излишеств, которые не дадут эффекта. Для наглядности
представим принципиальную схему современного компьютера с указанием
его узких мест (рис. 31).
Таблица 11
Максимальные скорости передачи информации через интерфейсы
персонального компьютера
Интерфейс
Максимальная
скорость
Serial port
115200 бит/с
Standard
parallel port
EPP/ECP
parallel port
1,2 Мбит/c
2/4 Мбайт/с
Интерфейс
Максимальная
скорость
SCSI-2 (Fast SCSI,
Fast Narrow SCSI)
Fast Wide SCSI
(Wide SCSI)
Ultra SCSI (SCSI-3,
Fast-20, Ultra Narrow)
Wide Ultra SCSI
(Fast Wide 20)
10 Мбайт /с
20 Мбайт/с
20 Мбайт/с
USB 1.0
1,5 – 12 Мбит/с
40 Мбайт/с
USB 2.0
480 Мбит/с
Ultra 2 SCSI
40 Мбайт/с
IEEE-1394
100 – 400 Мбит/c,
12,5 – 50 Мбайт/с
Wide Ultra 2 SCSI
80 Мбайт/с
IDE
3,3 – 16,7 Мбайт/c
Ultra 3 SCSI
80 Мбайт/с
Ultra IDE
33 Мбайт/с
Wide Ultra 3 SCSI
160 Мбайт/с
SCSI-1
5 Мбайт/с
FC-AL Fiber Channel
100 – 400 Мбайт/с
На рис. 31 показаны значения теоретически достижимой пиковой
пропускной способности различных интерфейсов ПК.
Таблица 12
Расчет пропускной способности шин ПК
Процессорная
хост-шина
(для fFSB = 66МГц)
ISA
PCI
AGP
66 МГц  64 бит = 4224 Мбит/с
4224 Мбит/с : 8 = 528 Мбайт/с
8 МГц  16 бит = 128 Мбит/с
128 Мбит/с : 2 цикла = 64 Мбит/с
64 Мбит/с : 8 = 8 Мбайт/с
33 МГц  32 бит = 1056 Мбит/с
1056 Мбит/с : 8 = 132 Мбайт/с
66,6 МГц  32 бит = 2131 Мбит/с
2131 Мбайт/с : 8 = 266 Мбайт/с
266 Мбайт/с  2 блока ≈ 533 Мбайт/с (если AGP 2x)
266 Мбайт/с  4 блока ≈ 1066 Мбайт/с (если AGP 4x)
266 Мбайт/с  8 блоков ≈ 2133 Мбайт/с (если AGP 8x)
Внутренняя шина
1
600–3200 Мбайт/с
Front Side Bus
(системная шина)
Ядро
процессора
Внешний кэш
второго (третьего)
уровня 2
130–230 Мбайт/с
Встроенный кэш
второго уровня
66 МГц – 500 Мбайт/с
100 МГц – 800 Мбайт/с
133 МГц – 1066 Мбайт/с
Видеокарта AGP
~ 6,4 Гбайт/с 8 Шина AGP Контроллер Шина памяти
4
AGP и памяти
3
видеопамять
66 МГц – 500 Мбайт/с
100 МГц – 800 Мбайт/с
133 МГц – 1066 Мбайт/с
DDR SDRAM 133 МГц – 2100 Мбайт/с
х2 ~ 533 Мбайт/с
х4 ~ 1066 Мбайт/с
~ 132 Мбайт/с
Модули
памяти
5
Ultra SCS-3
~ 160 Мбайт/с
Шина PCI (33 МГц/32 бит – 132 Мбайт/с)
7
Контроллер
интерфейсов
Устройство
SCSI
USB 1 ~ 12 Мбит/с
USB 2 ~ 480 Мбит/с
IEEE 1394 ~ 100–800 Мбит/с
13–40 Мбит/с
9
ISA ~5,5 Мбайт/с
6 Устройство IDE
ATA-66 ~ 66 Мбайт/с
ATA-100 ~ 100 Мбайт/с
IEEE 1284 ~ 5 Мбайт/с
Рис. 31. Значения пропускной способности
различных интерфейсов и устройств ПК
Внутренний кэш снятых ныне с производства процессоров под Socket 7
позволял пропускать до 800 Мбайт/с (на частоте 200 МГц). Процессоры,
работающие на частотах свыше 1 ГГц (Pentium 4, Celeron, Athlon, Duron),
практически не встречают ограничений в пропускной способности
встроенного кэша благодаря широкой шине и новой архитектуре доступа
(256-разрядный Advanced Trasfer Cache). Производительность пересылки
данных из кэша измеряется десятками Гбайт в секунду. Вывод: скорость
работы встроенной кэш-памяти никак не ограничивает общую
эффективность системы. Скорее можно говорить о недостаточном объеме
кэша в некоторых ситуациях.
Несколько иная картина наблюдается при обмене данными с внешним
кэшем на системной плате, хотя такая архитектура уже практически изжила
себя и ныне встречается лишь в устаревших системах. Здесь показатели
падают до уровня нескольких сот Мбайт/с для операций как чтения, так и
записи. Вывод: в системах с кэш-памятью на материнской плате
современные ресурсоемкие приложения могут “тормозиться” из-за
недостаточной скорости обмена данными с процессором.
В режиме двукратного умножения пиковая пропускная способность
шины AGP 1.0 достигает значения 533 Мбайт/с(AGP2x), в режиме
четырехкратного
умножения
на
шине
AGP
2.0
достигается
производительность 1066 Мбайт/с (AGP4x). Однако увеличение
потребностей приложений в пересылке графических данных потребовало
принятия спецификации AGP 3.0, предусматривающей пиковую пропускную
способность шины 2132 Мбайт/с.
Но такой мощный поток данных, которого хватает для нынешних
приложений, пересылается только в одну сторону: от системной шины к
видеокарте. Обратно информация передается с пиковым значением скорости
132 Мбайт/с, так как архитектура AGP основана на шине PCI. В версии AGP
3.0 планируется переход на тактовую частоту шины 66 МГц, что позволит
вдвое увеличить полосу пропускания и в обратном направлении. Вывод:
верхняя граница пропускной способности шины АGР последних
модификаций может быть достигнута только в режиме монопольного
доступа видеоконтроллера к шине памяти, что при нынешнем дефиците
прерываний на шине PCI представляет неразрешимую проблему. Поэтому
графические устройства компьютера постепенно будут переходить на новые
системные шины: HyperТrаnsроrt или 3GIOArapahoe, по мере их внедрения.
Реальная скорость обмена с оперативной памятью весьма далека от
теоретически достижимых значений и зависит в основном от модели чипсета,
установленного на системной плате. Для памяти SDRAM пиковые значения
достигают 1066 Мбайт/с на частоте 133 МГц, для памяти Rambus DRAM при
использовании четырех каналов до 1600 Мбайт/с, для памяти DDR SDRАМ –
около 3200 Мбайт/с на эквивалентной частоте 400 МГц. Вывод:
недостаточная скорость обмена с оперативной памятью становится одним из
наиболее узких мест компьютерной системы. Переход к модификациям DDR
SDRAM и RDRAM лишь на время отодвигает границу “терпимости” к этой
проблеме, не решая ее по существу.
В настоящее время в современных чипсетах Intel 875/865 возможен
двухканальный режим работы с памятью. Каждый из каналов работы с
памятью разведен в отдельном слое металлизации внутри чипсета. Этот
режим использует параллельное (одновременное) обращение к двум
стандартным модулям памяти с использованием 128-разрядной шины данных
(два канала по 64 бита; каждый стандартный DIMM памяти имеет 64разрядную шину).
Теоретически достижимая пиковая пропускная способность шины PCI
спецификации 2.1 до 132 Мбайт/с сегодня совершенно не удовлетворяет
потребностей многочисленных устройств, подключаемых к данной шине.
Первоначально
от
этого
интерфейса
“бежали”
видеоадаптеры,
мигрировавшие на шину AGP. Однако ныне появились и другие устройства,
чьи потребности в пересылке данных превышают возможности PCI: жесткие
диски АТА-100 (АТА-133), Serial АТА, адаптеры Ultra160 и Ultra320 SCSI,
интерфейс USB 2.0, интерфейс IЕЕЕ1394 и многие другие. Спецификация
PCI 2.2, предусматривающая расширение шины до 64 бит и удвоение
тактовой частоты, или спецификация PCI-Х вряд ли найдут применение в
массовых компьютерах благодаря высокой стоимости производства. Вывод:
шина PCI сегодня становится таким же “бутылочным горлышком” в
компьютерной системе, каким был в свое время интерфейс ISA. С учетом
широкого внедрения новых внешних (USB, IEEE1394, 802.11b, Ethernet,
Home PNA) и внутренних (Serial АТА, Ultra320 SCSI) интерфейсов переход
на другую общесистемную шину ввода-вывода неизбежен в ближайшие
годы. Какая архитектура победит (HyperTransport или 3GIO), покажет время.
По обычному 40-жильному кабелю IDE данные проходят со скоростью
до 16 Мбайт/с. Внедрение 80-жильных шлейфов в спецификациях АТА-66 и
АТА-100 кардинально проблему не решило ввиду внутренних ограничений
параллельного интерфейса. Учитывая, что скорости внутреннего обмена
данными (между буфером и головками) в современных дисках приблизились
к порогу пропускной способности шлейфа, данная архитектура стала узким
местом в подсистемах хранения данных. Вывод: с ростом емкости и
скоростей вращения дисков неизбежен переход на интерфейс Serial АТА,
что, в свою очередь, потребует и перехода на новую шину ввода-вывода
вместо устаревшей PCI.
Высокоскоростные внешние устройства также требуют повышения
пропускной способности шины ввода-вывода. Если суммировать возможный
поток данных, поступающих на шину PCI от внешних устройств, он
многократно превысит пропускную способность шины. Предположим, что к
шине PCI подключен сканер (через мост USB-PCI), сетевая карта
спецификации GigabitEthernet и внешний жесткий диск (через мост
IEEE1394-PCI). Очевидно, что одновременное обращение этих устройств к
ресурсам компьютерной системы замедлит работу не только друг друга, но и
внутренних устройств компьютера. Вывод: до появления высокоскоростной
внутренней шины ввода-вывода не имеет смысла подключать самые
производительные внешние устройства, так как обмен данными будет
ограничен пропускной способностью шины PCI.
В графических адаптерах с геометрическим процессором узким местом
становится скорость обмена с локальной видеопамятью. В высоких
разрешениях поток данных превышает 13 Гбайт/с, а пиковая пропускная
способность памяти DDR SDRAM при ширине шины 128 бит и частоте 200
МГц составляет всего 6,4 Гбайт/с.
Устаревшие интерфейсы последовательного (RS-232) и параллельного
(IEEE1284) портов, а также их вариации (PS/2, MIDI, Game Port, ИК-порт)
ныне являются лишь данью традиции. Хотя их возможностей вполне хватает
низкоскоростным устройствам (клавиатура, мышь, джойстик, модем), с
целью унификации и удешевления системы необходимо избавляться от этих
“окаменелостей”. Ничто не мешает все функции переложить на более
современный интерфейс, например USB.
СИСТЕМНЫЕ СРЕДСТВА ВВОДА-ВЫВОДА
Порты ввода-вывода
Процессоры начиная ссемейства 8086 имеют раздельную адресацию памяти и
портов ввода-вывода.
Адреса 0h-0FFh отведены для системной платы; чтение по этим адресам не
открывает буфер данных шины расширения. Для современных плат со встроенной
периферией и несколькими шинами (ISA, PCI) распределением адресов управляет BIOS
через регистры конфигурирования чипсета.
Во время цикла DMA дешифрация адреса порта блокируется сигналом AEN.
Селективное управление сигналом AENx для каждого слота EISA и ISA даёт возможность
программного конфигурирования адресов адаптеров.
Стандартная карта портов ввода-вывода
AT и PS/2
1
000-00F
010-01F
020-021
040-05F
060, 064
061
070-07F
080
080-08F
090-097
PS/XT
2
000-00F
020-021
040-043
060-063
080-083
0A0
0A0-0BF
0C0-0DF
0F0-0FF
100-1EF
170-177
1F0-1F7
200-207
238-23F
278-27F
2C0-2DF
2E0-2E7
2E8-2EF
2F8-2FF
300-31F
1
338-33F
370-377
376-377
378-37F
200-20F
210-217
278-27F
2A2-2A3
2C0-2DF
2F8-2FF
2
320-32F
378-37F
Назначение
3
Контроллер DMA #1 8237
PS/2 - расширение DMA #1
Контроллер прерываний #1 - 8259А
Таймер (РС/ХТ: 8253
Системный интерфейс 8255
Контроллер клавиатуры АТ 8042
Источники NMI и управление звуком
Память CMOS и маска NMI
Диагностический регистр
Регистры страниц DMA
PS/2 микроканал
Маска NMI
Контроллер прерываний #2 - 8259À
Контроллер DMA #2 8237А5
Сопроцессор 80287
PS/2 управление микроканалом
Контроллер НЖМД #2 (IDE#2)
Контроллер НЖМД #1 (IDE#1)
Игровой адаптер
Блок расширений
COM4
Параллельный порт LPT2 (LPT3 при наличии MDA)
MSM48321RS часы
EGA #2
COM4
COM4
COM2
Плата прототипа
3
Жёсткий диск ХТ
COM3
Контроллер НГМД #2
Порты команд IDE#2
Параллельный порт LPT1 (LPT2 при наличии MDA)
380-38F
3A0-3AF
3B0-3BB
3B4-3C9
3BC-3BF
3C0-3CF
3C0-3DF
3D0-3DF
3E0-3E7
3E8-3EF
3F0-3F7
3F6-3F7
3F8-3FF
380-38F
3A0-3A9
3B0-3BB
3BC-3BF
3C0-3CF
3C0-3DF
3D0-3DF
3F0-3F7
3F8-3FF
Синхронный адаптер SDLC/BSC #2
Синхронный адаптер BSC #1
Монохромный адаптер (MDA)
PS/2 видеосистема
Параллельный порт LPT1 платы MDA
EGA #1
VGA
CGA/EGA
COM3
COM3
Контроллер НГМД #1
Порты команд IDE#1
COM1
Внешние устройства (ВУ) ПК
По способу размещения устройств относитель системного блока ПкК ВУ
подразделяют на внешние и внутренние
Внешние ВУ- важнейшая составная часть ПК и их стоимость может
составлять д 80 % стоимости ПК
ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой:
пользователями, объектами управления и другими компьютерами.
К внешним устройствам относятся:
 внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память
ПК;
 диалоговые средства пользователя;
 устройства ввода информации;
 устройства вывода информации;
 средства связи и телекоммуникаций.
Диалоговые средства пользователя включают в свой состав:
видеомонитор (видеотерминал, дисплей) — устройство для отображения
вводимой и выводимой из ПК информации;
устройства речевого ввода-вывода — быстро развивающиеся средства
мультимедиа. Это различные микрофонные акустические системы,
«звуковые мыши» со слож-ным программным обеспечением, позволяющим
распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их
и кодировать; синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых
кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики)
или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.
К устройствам ввода информации относятся:
клавиатура - устройство для ручного ввода числовой, текстовой и
управляющей информации в ПК;
графические планшеты (дигитайзеры) — устройства для ручного ввода
графической информации, изображений путем перемещения по планшету
специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически
выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих
координат в ПК;
сканеры (читающие автоматы) — оборудование для автоматического
считывания с бумажных и пленочных носителей и ввода в ПК
машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;
устройства целеуказания (графические манипуляторы), предназначенные
для ввода графической информации на экран дисплея путем управления
движением курсора по экрану с последующим кодированием координат
курсора и вводом их в ПК (джойстик — рычаг, мышь, трекбол — шар в
оправе, световое перо и т. д.);
сенсорные экраны — для ввода отдельных элементов изображения,
программ или команд с экрана дисплея в ПК.
К устройствам вывода информации относятся:
принтеры — печатающие устройства для регистрации информации на
бумажный или пленочный носитель;
графопостроители (плоттеры) — устройства для вывода графической
информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель.
Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с
приборами и другими средствами автоматизации (согласователи
интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые
и аналого-цифровые
преобразователи и т. п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим
компьютерам и вычислительным сетями(сетевые интерфейсные платы и
карты — сетевые адаптеры, «стыки», мультиплексоры передачи данных
модуляторы (демодуляторы)).
В качестве адаптера чаще всего используется модем.
Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной
группе мультимедиа.
Мультимедиа (multimedia, «многосредовость») — это комплекс
аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с
компьютером, используя, разные, естественные для себя среды: звук, видео,
графику, тексты, анимацию. К средствам мультимедиа относятся устройства
речевого ввода и устройсва вывода информации; микрофоны и видеокамеры,
акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми
колонками, большими видеоэкранами, звуковые и видеоадаптеры, платы
видеозахвата, снимающие изображенис с магнитофона или видеокамеры и
вводящие его в ПК; широко распространенные уже сейчас сканеры,
позволяющие автоматически вводить в компьютер печатные тексты и
рисунки; наконец, внешние запоминающие устройства большой емкости на
оптических
дисках, часто используемые для записи звуковой и
видеоинформации
Устройства ввода-вывода информации в ПК
Устройства ввода-вывода можно условно разделить на устройства, с
помощью которых информация передается машине от человека, человеку от
машины и от одной ЭВМ к другой.
На рис. 2.26 приведены наиболее распространенные устройства вводавывода. Кроме них имеются специальные устройства, обеспечивающие
совместную работу ЭВМ с кассовыми аппаратами, микрофонами,
видеокамерами, видеомагнитофонами, медицинскими и научными
приборами и т. п.
Рис. 2.26. Классификация устройств ввода-вывода
В табл. 2.4 приведены основные характеристики носителей информации.
Функционирование любой вычислительной системы обычно сводится к
выполнению двух видов работы: обработке информации и операциям по
осуществлению ее ввода-вывода.
Содержание понятий «обработка информации» и «операции вводавывода» зависит от разных подходов. С точки зрения программиста под
«обработкой информации» понимается выполнение команд процессора над
данными, лежащими в памяти независимо от уровня иерархии — в
регистрах, кэше, оперативной или вторичной памяти.
Таблица 2.4. Основные характеристики носителей
Вид
носителя
Информационная Скорость обмена
информации
емкость
Дискета
1,44 Мб
250, 300 и 500
Сменный
гибкий От 100 до 750 Мб Кб/с
1 Мб/с
диск
ZIP
Винчестер
От 100 до 1000 Гб До 300 Мб/с
Стриммер
От 80 Мб до 80 Гб От 1,5 до 3 Мб/с
CD-ROM
От 650 до 800 Мб До 7,8 Мб/с
DVD
От 4,7 до 17 Гб
До 21 Мб/с
Магнитооптический От 128 Мб до 2,6 От 1,3 до 3,8
Гб
Поддиск
«операциями ввода-вывода»
программист Мб/с
понимает обмен данными
между памятью и устройствами, являющимися внешними по отношению к
памяти и процессору, такими как магнитные ленты, диски, монитор, клавиатура и таймер.
В операционной системе обработка информации — это только операции,
совершаемые процессором над данными, находящимися в памяти на уровне
иерархии не ниже, чем оперативная память. Все остальное относится к
операциям ввода-вывода. Для того чтобы совершить операции над данными,
временно расположенными во вторичной памяти, операционная система
сначала производит их подкачку в оперативную память, и лишь затем
процессор совершает необходимые действия.
Рассмотрим процессы, происходящие в компьютере при осуществлении
операций ввода-вывода, и то, как операционная система управляет их
выполнением. При этом для простоты будем считать, что объем оперативной
памяти в вычислительной системе достаточно большой, т. е. все процессы
полностью располагаются в оперативной памяти, и поэтому понятия
«операция ввода-вывода» содержательно совпадают. Это предположение не
снижает общности рассмотрения, так как подкачка информации из
вторичной памяти в оперативную память и обратно обычно строится по тому
же принципу, что и все остальные операции ввода-вывода.
Существует много разнообразных устройств, которые могут
взаимодействовать с процессором и памятью: таймер, жесткие диски,
клавиатура, дисплеи, мышь, модемы и т. д. Часть этих устройств может быть
встроена внутрь корпуса компьютера, часть — вынесена за его пределы и
общается с компьютером через различные линии связи: кабельные,
оптоволоконные, радиорелейные, спутниковые и т. д. Набор конкретных
устройств и способы их подключения определяются целями функционирования вычислительной системы, желаниями и финансовыми возможностями
пользователя. Несмотря на все многообразие устройств, управление их
работой и обмен информацией с ними строятся на относительно небольшом
количестве принципов.
Логические принципы организации ввода-вывода. Все, что необходимо
сделать пользователю при подключении нового устройства, — это
отобразить порты устройства в соответствующее адресное пространство,
определить, какой номер будет соответствовать прерыванию, генерируемому
устройством, и, если нужно, закрепить за устройством канал DMA.
Структура системы ввода-вывода. Все устройства отличаются по
выполняемым функциям и характеристикам, и кажется, что принципиально
невозможно создать систему, которая без больших постоянных переделок
позволяла бы охватывать все многообразие видов. Рассмотрим перечень
направлений, по которым различаются устройства:
скорость обмена информацией может варьироваться в диапазоне от
нескольких байт в секунду (клавиатура) до нескольких гигабайт в секунду
(сетевые карты);
некоторые устройства могут быть использованы параллельно
несколькими процессами (являются разделяемыми), в то время как другие
требуют монопольного захвата процессом;
устройства могут запоминать выведенную информацию для ее
последующего ввода или не обладать этой функцией. Устройства,
запоминающие информацию, в свою очередь, могут дифференцироваться по
формам доступа к сохраненной информации: обеспечивать к ней
последовательный доступ в жестко заданном порядке или уметь находить и
передавать только необходимую порцию данных;
часть устройств передает данные только по 1 байту последовательно
(символьные устройства), а часть устройств — блоками байтов (блочные
устройства);
существуют устройства, предназначенные только для ввода и только для
вывода информации, и устройства, которые могут выполнять и ввод, и
вывод.
В области технического обеспечения выделяют основной принцип
взаимодействия внешних устройств с вычислительной системой: создание
единого интерфейса для их подключения с возложением всех специфических
действий на контроллеры устройств.
Похожий подход оказался продуктивным и в области программного
подключения устройств ввода-вывода. Можно специфицировать интерфейсы
между ядром операционной системы, осуществляющим некоторую общую
политику ввода-вывода, и программными частями, непосредственно
управляющими устройствами, т. е. использовать принцип уровневого или
слоеного построения системы управления вводом-выводом для операционной системы (рис. 2.27).
Два нижних уровня этой слоеной системы составляет Hardware: сами
устройства, непосредственно выполняющие операции, и их контроллеры,
служащие для организации совместной работы устройств и остальной
вычислительной системы. Следующий уровень — это драйверы устройств
ввода-вывода, скрывающие от разработчиков операционных систем
особенности функционирования конкретных приборов и обеспечивающие
четко определенный интерфейс между Hardware и вышележащим уровнем —
уровнем базовой подсистемы ввода-вывода, которая, в свою очередь,
предоставляет механизм взаимодействия между драйверами и программной
частью вычислительной системы в целом.
Внешние запоминающие устройства. В системный блок ПК
вмонтированы дисководы (накопители на гибких и жестких магнитных
дисках). Дисковод гибких дисков — специальный накопитель, используется
для оперативного переноса небольших объемов информации на гибкие
магнитные диски (дискеты). Основные параметры гибких дисков —
технологический размер (дюймы), плотность записи (измеряется в кратных
единицах) и полная емкость (килобайты или мегабайты). Гибкие магнитные
диски (дискеты) предназначены, как правило, для перемещения информации
с одной ЭВМ на другую.
Жесткие магнитные диски — это несъемные устройства, предназначенные
для хранения больших объемов информации.
Магнитные ленты, оптические и магнитооптические диски используются и
для перемещения и для хранения данных. Принцип записи информации на
магнитные ленты и диски аналогичен принципу записи звука в магнитофоне,
т. е. осуществляется многократное считывание и запись на магнитные диски.
Магнитные диски различаются размерами, скоростью работы и
информационной емкостью. Существуют гибкие диски — дискеты размером
3,5" (89 мм). Дискеты представляют собой гибкий диск из тонкого пластика,
на обе стороны которого нанесен магнитный слой. Диск заключен в плотный
конверт (корпус) с отверстиями для магнитных головок (рис. 2.28).
Информация на дискету записывается по дорожкам-окружностям
(трекам). На каждой стороне дискеты помещается 40 или 80 дорожек в
о
Рис. 2.28. Дисковод ( а ) и флоппи-диск диаметром 3,5"
(б)
зависимости от формата
дискеты (информационной емкости), диктуемого
качеством магнитной поверхности дискеты и совершенством конструкции
дисковода. Каждая дорожка состоит из несколько секторов, в каждом секторе
может быть записано 512 байт информации. На конверте (корпусе) дискеты
сбоку имеется специальная прорезь, предназначенная для блокирования
записи на диск и сохранения имеющейся на диске информации. Схема
устройства накопителя на гибком магнитном диске показана на рис. 2.
Магнитный диск 5 вращается с помощью привода 4, для записи и
считывания
информации
используются
магнитные
головки
3,
расположенные на рычагах, жестко закрепленных на каретке 2. Каретка
перемещается позиционирующим двигателем 7, смещая магнитные головки с
одной дорожки диска на другую.
Существуют два стандартных формата этих дискет — 760 Кб (устаревший
формат, 40 дорожек по 18 секторов) и 1,44 Мб (современный формат, 80
дорожек по 18 секторов).
Работа дисководов управляется контроллерами — электронными
схемами, выполненными в виде печатных плат, устанавливаемых в один из
разъемов на системной плате или монтируемых непосредственно на
дисководе.
Рис. 2.. Схема дисковода: / — позиционирующий двигатель; 2 — каретка
с двумя рычагами; 3 — блок магнитных головок; 4 — привод
магнитного диска;
5 — дискета
Примечание. Гибкие диски размером 5,25" имеют формат 360 Кб или 1,2
Мб. Их этикетка маркируется соответственно DS/DD (double sided/double
density — двухсторонние/с двойной плотностью) и DS/HD (double sided/high
density — двухсторонние/с высокой плотностью). На дискетах 360 Кб с
каждой стороны помещаются 40 дорожек по 9 секторов в каждой, на
дискетах 1,2 Мб создаются 80 дорожек по 15 секторов. Для приблизительной
оценки информационной емкости дискеты 360 Кб можно отметить, что на
ней размещается информация, соответствующая примерно 100 листам
печатного текста.
HDD
Накопители на МД (НМД) являются наиболее распространенными
внешними запоминающими устройствами в ПК. Они бывают жесткими и
гибкими, сменными и встроенными в ПК. Все диски, и магнитные, и
оптические, характеризуются своим диаметром, или, иначе, форм-фактором.
Наибольшее распространение получили диски с форм-факторами 3,5 дюйма
(89 мм). Но существуют диски и с форм-факторами 5,25 дюйма (133 мм), 2,5
дюйма (64 мм), 1,8 дюйма (45 мм) и другие.
Накопители на жестких магнитных дисках
Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД, жесткие диски, Hard
Disk Drive -HDD) представляют собой устройства, предназначенные для
длительного хранения информации. В качестве накопителей на жестких
магнитных дисках широкое распространение в ПК получили накопители
типа винчестер. Термин «винчестер» является жаргонным названием первой
модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 год), имевшего 30
дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром 30/30 известного
охотничьего ружья «винчестер». В этих накопителях один или несколько
жестких дисков, изготовленных из сплавов алюминия или из керамики и
покрытых ферролаком, вместе с блоком магнитных головок считывания
(записи) помешены в герметически закрытый корпус. Под дисками
расположен двигатель, обеспечивающий вращение дисков, а слева и справа
— поворотный позиционер с коромыслом, управляющим движением
магнитных головок по спиральной дуге для их установки на нужный
цилиндр. Емкость винчестеров благодаря чрезвычайно плотной записи, выполняемой магниторезистивными головками в таких герметических
конструкциях, достигает нескольких десятков гигабайт; быстродействие их
также весьма высокое: время доступа от 5 мс, трансфер до 6 Гбайт/с.
Магниторезистивные технологии обеспечивают чрезвычайно высокую
плотность записи, позволяющую размещать 2-3 Гбайт, данных на одну
пластину (диск). Появление же головок с гигантским магниторезистивным
эффектом (GMR — Giant Magnetic Resistance) увеличило плотность записи
— возможная емкость одной пластины возросла до 6,4 Гбайт. При
технологии перпендикулярной записи (магнитные домены формируются
перпендикулярно к поверхности диска) эта емкость возросла до 300 и более
гигабайт.
НЖМД весьма разнообразны. Диаметр дисков чаще всего 3,5 дюйма (89
мм). Наиболее распространенная высота корпуса дисковода: 25 мм — у
настольных ПК, 41 мм — у машин-серверов, 12 мм - у портативных ПК,
существуют и другие. Внешние дорожки диска длиннее внутренних.
Поэтому в современных жестких дисках используется метод зонной записи.
В этом случае все пространство диска делится на несколько зон, причем во
внешних зонах размещается больше секторов данных, чем
Информация на магнитные диски (МД) записывается и считывается
магнитными головками вдоль концентрических окружностей — дорожек
(треков). Количество дорожек на МД и их информационная емкость зависят
от типа МД, конструкции накопителя на МД, качества магнитных головок и
магнитного покрытия. Совокупность дорожек МД, находящихся на разных
пластинах-дисках и на одинаковом расстоянии от его центра, называется
цилиндром. При записи и чтении информации МД вращается вокруг своей
оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к дорожке,
выбранной для записи или чтения информации.
Секторы — аппаратно адресуемые блоки носителя. Размер секторов на
жестких дисках в х86-системах почти всегда равен 512 байтам. Таким образом, если операционная система должна модифицировать 632-й байт диска,
она записывает 512-байтовый блок данных во второй сектор диска.
Форматы файловых систем определяют принципы хранения данных на
носителе и влияют на характеристики файловой системы. Например,
файловая система, формат которой не допускает сопоставления прав доступа
с файлами и каталогами, не поддерживает защиту. Формат файловой
системы также может налагать ограничения на размеры файлов и емкости
поддерживаемых устройств внешней памяти. Наконец, некоторые форматы
файловых систем эффективно реализуют поддержку либо больших, либо
малых файлов и дисков.
Кластеры — адресуемые блоки, используемые многими файловыми системами. Размер кластера всегда кратен размеру сектора (рис. 12-1). Файловая
система использует кластеры для более эффективного управления дисковым
пространством: кластеры, размер которых превышает размер сектора,
позволяют разбить диск на блоки меньшей длины — управлять такими
блоками легче, чем секторами. Потенциальный недостаток кластеров
большего размера — менее эффективное использование дискового
пространства, или внутренняя фрагментация, которая возникает из-за того,
что размеры файлов редко бывают кратны размеру кластера.
Кроме основной своей характеристики — информационной емкости —
дисковые накопители характеризуются и двумя другими показателями:
□ временем доступа;
□ скоростью считывания последовательно расположенных байтов.
Время доступа (access time) к информации на диске, то есть время,
которое дисковод тратит до начала чтения (записи) данных, складывается
из нескольких составляющих:
□ времени перемещения магнитной головки на нужную дорожку (seek
time);
□ времени установки головки и затухания ее колебаний (setting time);
□ времени ожидания вращения (rotation latency) — ожидания момента,
когда из-за вращения диска нужный сектор окажется под головкой.
Диски относятся к машинным носителям информации с прямым
доступом. Понятие прямой доступ применительно к диску означает, что
ПК может «обратиться» к дорожке, на которой начинается участок с
искомой информацией или куда нужно записать новую информацию,
непосредственно, где бы ни находилась головка записи (чтения) накопителя.
После доступа к информации происходит ее последовательное считывание
— хорошие дисководы обеспечивают скорость считывания (transfer rate) 8
Мбайт/с и выше.
Рассматривая организацию данных на внешних носителях, следует
различать физическую и логическую организацию.
Физическая организация определяет правила размещения данных на
внешних носителях,
Логическая — описывает взаимные связи между данными и способы
доступа к ним. Поскольку при работе на компьютере пользователь
практически взаимодействует только с файлами, необходимо подробнее
познакомиться с организацией файловой системы.
Дорожки диска разбиты на секторы. В одном секторе дорожки обычно
размещается 512 байт данных. Обмен данными между НМД и ОП
осуществляется последовательно кластерами. Кластер — это минимальная
единица размещения информации на диске, состоящая из двух или большего
числа смежных секторов дорожки (кластеры называют также единицами
выделения памяти — allocation unit). Поэтому если необходимо разместить
на диске маленький файл, например размером 20 байт, он все равно займет
дисковое пространство размером в кластер (минимум 2x512 = 1024 байт).
Количество секторов в кластере всегда равно целой степени 2. Таблица
FAT 16 должна быть способна отображать в 16 бит значение максимального
номера кластера, то есть количество кластеров на диске (или в разделе диска)
не больше, чем 216 = 65 536. По причине выхода за пределы 16-битовой
адресации внутри кластера его максимальный размер должен быть меньше
64 Кбайт, то есть 32 Кбайт. В FAT 16 размер кластера (а косвенно и
количество кластеров) можно определить, разделив объем памяти диска на
64 Кбайт (65 536) и округлив результат до ближайшего большего числа,
кратного степени двойки. Так, для диска емкостью 1,2 Гбайт размер кластера
составит: 1 258 291,2/ 65,5 = 19,2 Кбайт, после округления получим 32 Кбайт;
для дисков объемом 2 Гбайт размер кластера будет равен 64 Кбайт, а для 2,5гигабайтовых дисков — более 64 Кбайт, что недопустимо. Иными словами,
FAT 16 практически может работать только с дисками емкостью не более 2
Гбайт.
Поэтому была разработана более мощная 32-разрядная файловая система
FAT32. В ней количество секторов и количество кластеров может быть
одинаковым, и ограничено значением 232. Хотя размер кластера с целью
экономии дискового пространства можно было бы приравнять размеру
сектора, это не сделано по причине большого объема самой FAT — таблицы
размещения файлов (напомню, что по имени этой таблицы называют и всю
файловую систему целиком), которая для диска, например, емкостью 10
Гбайт будет иметь размер 80 Мбайт (а таких файлов на диске должно быть
несколько, включая страховые копии). Одна из таблиц при наличии кэшпамяти для диска загружается в ОП. Поэтому размеры кластеров в FAT32
приняты в соответствии с табл. 12.2.
Кластеры, выделяемые одному файлу, могут находиться в любом
свободном месте дисковой памяти и необязательно являются смежными.
Файлы, хранящиеся в разбросанных по диску кластерах, называются
фрагментированньши.
Адресация информации на диске
Используются следующие системы адресации информации на МД:
в BIOS — трехмерная: номер цилиндра (дорожки), магнитной головки
(стороны диска), сектора;
в DOS — последовательная сквозная нумерация секторов, начиная от
внешнего 0-го цилиндра (дорожки), головки 0, сектора 1.
На каждом диске можно выделить две области: системную и данных.
Системная область диска (начинается с 0 дорожки, стороны 0, сектора 1)
состоит из 3 участков:
главной загрузочной записи (MBR — Master Boot Record), самого
первого сектора диска, в которой описывается конфигурация диска: какой
раздел (логический диск) является системным (из системного раздела
возможна загрузка операционной системы), сколько разделов на этом диске,
какого они объема;
таблицы размещения файлов (FAT — File Allocation Table), содержащей
код формата и полную карту принадлежности секторов файлам. FAT
организована в виде списка кластеров (они нумеруются от 2 до N= 1, где N—
полное число кластеров на диске), для каждого кластера в таблице
указывается шестнадцатеричный код: FFF1-FFF7 — дефектный кластер,
0002-FFF0 — кластеры, используемые файлом (код соответствует номеру
кластера, где продолжается текущий файл), FFF8-FFFF — кластер содержит
последнюю часть файла, 0000 — кластер свободен (все коды указаны для
FAT16);
Для каждого файла в корневом каталоге (3-я зона системной области)
указывается номер его начального кластера, а в этом начальном и следующих
кластерах в FAT указываются, соответственно, следующие кластеры файла, и
так до последнего, где указан код FFFF. Таблица размещения файлов крайне
важна, так как без нее последовательно читать файл на диске (особенно, если
кластеры файла записаны не подряд, а через промежутки, занятые другими
файлами) становится невозможно. Поэтому для надежности FAT на диске
дублируется. Когда файл на диске удаляется, все его кластеры маркируются
как свободные, но сами данные файла не удаляются (прежние данные
затираются только после записи на их место других данных) — то есть
удаленные файлы можно восстановить (команда UNDELETE DOS, утилита
UNERASE в пакете Norton Utilities).
□
корневой каталог диска — список файлов и (или) подкаталогов с
их параметрами. Параметры файла, содержащиеся в корневом каталоге: имя,
расширение, атрибуты, размер в байтах, дата и время создания или
последнего обновления, номер начального кластера. Структура записи
параметров файла в корневом каталоге показана в табл. 12.3 (для FAT16).
Файлы, их виды и организация
Файлом называется именованная совокупность данных на внешнем
носителе информации. В ПК понятие файла применяется в основном к
данным, хранящимся на дисках (реже на кассетной магнитной ленте), и
поэтому файлы обычно отождествляют с участком (областью, полем) памяти
на этих носителях информации.
Поэтому возможно такое определение: файл — именованная область
внешней памяти, выделенная для хранения массива данных. Данные,
содержащиеся в файлах, имеют самый разнообразный характер —
программы на алгоритмическом или машинном языке; исходные данные для
работы программ или результаты выполнения программ; произвольные
тексты; графические изображения и т. п. Понятие файла в операционной
системе (ОС) обобщается на внешние устройства и блоки компьютера
(логические устройства), работающие с массивами данных: принтер,
клавиатуру, дисплей, оперативную память (виртуальные диски) и т. д.
Файловой
системой
называется
совокупность
программ,
обеспечивающая выполнение операций над файлами.
В настоящее время в ОС для ПК используются десятки файловых
систем.
В Windows 9х — FAT (File Allocation Table, таблица размещения
файлов): FAT12, FAT16 и FAT32;
В Windows NT также используется NTFS,
В OS/2 — HPFS и т. д.
В свое время наибольшее распространение получили файловые системы
DOS: FAT16 и FAT32.
В общем случае при программировании работы с файлами необходимо
производить:
□ задание и указание области ОЗУ для ввода-вывода информации
файла;
□ чтение информации (считывания записей) из файла;
□ запись информации (включение записей) в файл;
□ создание файла (присвоение файлу имени, проверку уникальности
этого имени файла, формирование атрибутов и т. д.);
□ изменение атрибутов файла;
□ открытие файла (отыскание файла на диске и перенос в ОЗУ
атрибутов файла);
□ закрытие файла (сохранение на диске атрибутов файла для
дальнейшего использования);
□ переименование файла;
□ удаление файла.




Файловая система включает в себя также
правила образования имен файлов и способов обращения к ним;
иерархическую систему оглавления файлов;
структуру хранения файлов на дисках;
методы доступа к содержимому файлов.
Файлы могут создаваться в двух форматах: двоичном и текстовом.
Двоичный файл состоит из последовательности байтов, обычно
сгруппированных в логические записи фиксированной длины. В двоичных
файлах хранятся исполняемые программы и данные во внутреннем
(двоичном, кодовом) представлении. Файлы с исполняемыми программами
при их запуске должны иметь определенную структуру, что операционная
система обязательно анализирует. При выводе двоичного файла на дисплей
или принтер прочесть его содержимое невозможно, так как при этом считываемые 8-разрядные двоичные коды (байты) переводятся в произвольные
графические символы, звуковые сигналы или вообще не воспринимаются,
если данный код не имеет графического представления и никак на
устройство не действует.
Текстовый файл (файл ASCII) состоит из последовательности строк
переменной длины, каждая из которых является логической записью файла.





Каждая строка содержит только текстовые символы и завершается маркером
конца строки. Текстовым символом может быть любой символ ASCII, но, в
отличие от двоичных файлов, последовательность символов в текстовом
файле непосредственно воспринимается человеком на экране или принтере.
Текстовый файл может содержать текст программы на алгоритмическом
языке (ассемблер, Basic и т. д.), таблицу, исходные и результирующие
данные решения задач, документы, научные сообщения и т. п. Роль маркера
конца строки часто играет символ возврата каретки (код 13 ASCII), за
которым, возможно, следует символ перевода строки (код 10 ASCII).
Текстовый файл обычно завершается маркером конца файла, роль которого
играет код 26 ASCII.
Некоторые программные продукты (текстовые редакторы, системы
управления базами данных и др.) создают файлы, близкие к текстовым, но
содержащие дополнительные управляющие символы, а иногда и часть
информации в двоичном коде. При выводе таких файлов на экран или
принтер средствами операционной системы появляются символы
редактирования и (или) описания баз данных. Однако при интерпретации
этих файлов средствами текстового редактора или СУБД, их создавших, они
выводятся в удобочитаемом виде.
С каждым файлом связываются:
полное имя файла;
атрибуты (характеристики) файла;
дата создания файла;
время создания файла;
длина файла.
Типы файловых систем
В настоящее время подавляющее число пользователей персонального компьютера
используют на винчестере файловые системы FAT и NTFS, которые разработала
корпорация Microsoft.
Файловая система FAT была разработана для первых компьютеров IBM PC и
неоднократно подвергалась модернизации, в настоящее время используется версия
FAT32.
Основное достоинство файловой системы FAT - ее открытость и доступность
документации. А недостатки - низкое быстродействие при работе с современным
программным обеспечением и большие затраты дискового пространства на хранение
файлов, а также сложность восстановления информации при сбоях.
Файловая система NTFS была разработана корпорацией Microsoft для операционной системы Windows NT, и в настоящее время она рекомендует ее для
использования на всех современных компьютерах с большими винчестерами.
Главное достоинство файловой системы NTFS в том, что она является журналируемой. То есть все операции по записи данных (файла) на диск отмечаются в
системном журнале. Например, при записи файла на винчестер в журнале будет
отмечаться, какая часть файла уже успешно записана, а какая ждет своей очереди. Если
произошел сбой в работе, например, пользователь нажал на кнопку Reset или
выключилось электропитание, то при следующем включении компьютера операционная
система во время загрузки проверит записи в журнале и доведет процесс до конца или
отменит процесс копирования или удаления. Этим гарантируется, что если файл
копируется из одной папки в другую, то эта работа будет корректно выполнена в любом
случае. Отметим, что в старой файловой системе FAT в этих случаях перемещаемый файл
будет поврежден, а при копировании на диске окажется кусочек файла, который нельзя
будет использовать.
Основной недостаток файловой системы NTFS - закрытость спецификации, то есть
воспользоваться ею на уровне железа могут только разработчики Microsoft и ее
доверенные партнеры. Остальным приходится применять реинжиниринг (анализируя
программный код, выяснять принципы построения системы), чтобы узнать, что и как
можно делать. В частности, так поступают разработчики операционной системы Linux.
Кроме того, следует отметить, что файловая система NTFS регулярно модернизируется,
но об этом достаточно сложно узнать рядовым пользователям.
|
Примечание
Так как спецификация файловой системы NTFS закрыта, то, как правило, разработники других операционных систем рекомендуют только читать данные с дисков,
отформатированных в NTFS. При записи файлов на диск с файловой системой NTFS,
например, при работе в операционной системе Linux возможна потеря информаци
CHS (от англ. Cylinder, Head, Sector) — система адресации по физическим адресам
накопителей на жёстких магнитных дисках, накопителей на гибких магнитных дисках
и т. д.
Под цилиндром (Cylinder) понимается совокупность дорожек одинакового радиуса на всех
магнитных дисках (блинах) одного жёсткого диска. Контроллер в HDD интерпретирует
значение в радиус, на который передвигается магнитная головка чтения (Head). С каждой
магнитной поверхности магнитного диска чтение производит только одна головка,
следовательно, указывая головку, мы также указываем ту поверхность, с которой следует
считывать информацию. Сектор диска, как понятно из геометричекого определения,
интерпретируется как диапазон градуса поворота диска
LBA (англ. Logical block addressing) — механизм адресации и доступа к секторам на
диске, при котором не различают цилиндры, стороны, сектора на цилиндре.
LBA заменяет собой более ранние схемы, в которых нужно было учитывать физические
особенности устройства дисков. Например, в CHS (самой распространённой из таких
схем) блок задаётся кортежем из трёх чисел: цилиндр-головка-сектор, именно так, как
этот блок физически расположен на диске. Очевидно, что такая схема плохо подходит к
недисковым устройствам хранения (ленты, сетевые хранилища), потому и не используется
для них. Схема CHS и её расширенная версия ECHS использовались на ранних приводах
ATA.
Преобразование в адресацию LBA






LBA: Адрес блока по LBA (Logical block addressing)
c: Номер цилиндра
H: Количество головок
h: Номер выбранной головки
S: Количество секторов в одном треке
s: Номер сектора
Суть LBA состоит в том, что каждый сектор имеет свой номер. Преимущество —
отсутствие ограничения размера диска, ограничивающегося разрядностью LBA,
например, в настоящее время для жёстких дисков размером более 120GB используется
48bit LBA.
LBA — очень простая схема адресации. Нужный блок можно найти по индексу — целому
числу, начиная с нуля, то есть первый блок LBA=0, второй LBA=1 и т. д.
Преобразования между CHS и LBA
LBA = [(цилиндр * число головок + номер головки) * количество секторов на дорожку] +
(номер сектора - 1)
FAT (от англ. File Allocation Table — «таблица размещения файлов») — архитектура
файловой системы, сейчас широко используемая в картах памяти фотоаппаратов Flashпамяти и других устройств.
Разработана Биллом Гейтсом и Марком МакДональдом в 1977 году. Использовалась в
качестве основной файловой системы в операционных системах DOS и Microsoft Windows
(до версии Windows ME).
Структура FAT определена стандартом ECMA-107.
FAT32 (от англ. File Allocation Table — «таблица размещения файлов») — это файловая
система, разработанная компанией Майкрософт, разновидность FAT.
FAT32 — последняя версия файловой системы FAT и улучшение предыдущей версии,
известной как FAT16. Она была создана, чтобы преодолеть ограничения на размер тома в
FAT16, позволяя при этом использовать старый код программ MS-DOS и сохранив
формат. FAT32 использует 32-разрядную адресацию кластеров. FAT32 появилась вместе с
Windows 95 OSR2.
Логический предел
Максимально возможное число кластеров в FAT32 равно 268 435 445 кластеров, что
позволяет использовать тома (логические диски) объёмом до 8 ТБ.
Средство ScanDisk, входящее в состав Microsoft Windows 95 и Microsoft Windows 98, это
16-разрядная программа. Для таких программ максимальный размер кластера отдельного
фрагмента памяти составляет 16 МБ минус 64 КБ. Следовательно, средство ScanDisk в
Windows 95 или Windows 98 не может работать с томами FAT32, у которых размер
таблицы FAT превышает 16 МБ минус 64 КБ. Запись в таблице FAT на томе с файловой
системой FAT32 имеет размер 4 байта, поэтому средство ScanDisk не может работать с
таблицей FAT на диске FAT32, описывающей более 4 177 920 кластеров (включая два
резервных). С учётом самих таблиц FAT и при максимальном размере кластера 32 КБ
размер тома может быть до 127,53 ГБ. [1]
Штатными средствами Windows 2000 и Windows XP невозможно создать разделы FAT32
размером более 32 ГБ, однако, с такими разделами возможно работать, если они были
предварительно созданы в других ОС. Причина этого заключается в том, что по мнению
Microsoft при увеличении размера тома FAT32 выше 32 ГБ резко падает
производительность, и что более подходящее решение — использование NTFS, т.е.
родной формат файловой системы для Windows 2000 и Windows XP. [1][2]
Windows XP работает с томами объемом до 2 ТБ (из справки Windows XP). Программа
Partition Magic позволяет создавать FAT32-раздел размером не более ~192ГБ.
Об особенностях FAT32 под версией Windows Vista информации пока нет. [1]
Максимально возможный размер файла для тома FAT32 — 4 ГБ — 4 294 967 296 байт (232
— 4 294 967 296 байт). FAT32 не поддерживает установку разрешений на доступ к файлам
и папкам и некоторые другие функции современных файловых систем. Все эти причины
привели к тому, что сейчас наблюдается тенденция отказа от FAT32 в пользу более
продвинутых файловых систем, таких как NTFS, XFS. Однако остаётся ряд пользователей,
использующих FAT32. Они не доверяют закрытости NTFS, а также не желают возиться с
привилегиями (т.к. чаще всего они единственные владельцы файлов). Размер файла,
однако, весьма важный фактор для перехода на NTFS.
NTFS
Как мы уже говорили в начале главы, NTFS — встроенная («родная») файловая
система Windows. NTFS использует 64-разрядные номера кластеров. Это позволяет NTFS
адресовать тома размером до 16 экзабайт (16 миллиардов Гб). Однако Windows
ограничивает размеры томов NTFS до значений, при которых возможна адресация 32разрядными кластерами, т. е. до 128 Тб (с использованием кластеров по 64 Кб). В таблице
12-3 перечислены размеры кластеров на томах NTFS по умолчанию (эти значения можно
изменить при форматировании тома NTFS).
NTFS поддерживает ряд дополнительных возможностей — защиту файлов и
каталогов, дисковые квоты, сжатие файлов, символьные ссылки на основе каталогов и
шифрование. Одно из важнейших свойств NTFS — восстанавливаемость. При
неожиданной остановке системы целостность метаданных тома FAT может быть
утрачена, что вызовет повреждение структуры каталогов и значительного объема данных.
NTFS ведет журнал изменений метаданных путем протоколирования транзакций, поэтому
целостность структур файловой системы может быть восстановлена без потери
информации о структуре файлов или каталогов. (Однако данные файлов могут быть
потеряны.)
NTFS (от англ. New Technology File System — «файловая система новой технологии») —
стандартная файловая система для семейства операционных систем Microsoft Windows
NT.
NTFS заменила использовавшуюся в MS-DOS и Microsoft Windows файловую систему
FAT. NTFS поддерживает систему метаданных и использует специализированные
структуры данных для хранения информации о файлах для улучшения
производительности, надёжности и эффективности использования дискового
пространства. NTFS хранит информацию о файлах в Master File Table (MFT). NTFS имеет
встроенные возможности разграничивать доступ к данным для различных пользователей и
групп пользователей (списки контроля доступа — ACL), а также назначать квоты
(ограничения на максимальный объём дискового пространства, занимаемый теми или
иными пользователями). NTFS использует систему журналирования для повышения
надёжности файловой системы.
NTFS разработана на основе файловой системы HPFS (от англ. High Performance File
System — высокопроизводительная файловая система), создававшейся Microsoft
совместно с IBM для операционной системы OS/2. Но, получив такие несомненно
полезные новшества как квотирование, журналируемость, разграничение доступа и аудит,
в значительной степени утратила присущую прародительнице (HPFS) весьма высокую
производительность файловых операций.
Различают несколько версий NTFS: v1.2 используется в Windows NT 3.51 и Windows NT
4.0, v3.0 поставляется с Windows 2000, v3.1 — с Windows XP, Windows Server 2003,
Windows Vista,Windows 7 и Windows Server 2008.
Спецификации файловой системы являются закрытыми. Это создаёт определённые
трудности при реализации её поддержки в сторонних продуктах, не принадлежащих
Microsoft — в частности, разработчикам драйверов для свободных операционных систем
приходится заниматься реверс-инжинирингом системы.
Особенности логической организации дисков при файловой
системе NTFS
Файловая система NTFS (NT File System) использует другой способ для
представления не только файлов, но и всей логической организации жестких дисков. В
NFTS диск рассматривается как единый, непрерывный (хотя он реально может состоять из
нескольких — в настоящее время до 32 — физически отдельных НЖМД), расширяемый и
работающий под управлением одной операционной системы. Такой диск называется
динамическим (Dynamic). Его достоинством является возможность произвольного
увеличения логического дискового пространства за счет присоединения дополнительных
НЖМД без какой-либо обработки уже подключенных к компьютеру магнитных дисков.
Динамический диск разделяется на участки, называемые томами (Volumes), каждому
из которых может быть присвоено буквенное имя. В отличие от разделов, создаваемых на
дисках, предназначенных для файловых систем с FAT (такие диски иногда называют
основными), каждый из томов может находиться на физически различных дисках и
состоять из нескольких произвольных участков, присоединение которых никак не влияет
друг на друга.
Если на одном НЖМД планируется работа с файловыми системами NTFS и с FAT,
то такой жесткий диск должен быть первоначально разделен на разделы, которые затем
требуется отформатировать под нужные файловые системы. Создать же внутри
динамического диска раздел, использующий FAT, нельзя.
Загрузка с динамического диска может осуществляться только той операционной
системой, которая поддерживает такие диски.
Тома динамического диска могут быть простыми, составными и чередующимися.
Раздел (англ. partition) — часть долговременной памяти жёсткого диска, выделенная для
удобства работы.
На других носителях информации выделение разделов или не предусмотрено, или (за
редкими исключениями) не практикуется. Однако, существуют флеш-драйвы, память
которых можно разбить на два раздела, причём один раздел можно защитить паролем.
[править] Преимущества использования разделов
Выделение на одном жёстком диске нескольких разделов даёт следующие преимущества:

на одном физическом жёстком диске можно хранить информацию в разных
файловых системах, или в одинаковых файловых системах, но с разным размером
кластера (например, выгодно хранить файлы большого размера — например, видео
— отдельно от маленьких, и задавать больший размер кластера для хранилища
больших файлов);


можно отделить информацию пользователя от файлов операционной системы (для
безопасности последней);
на одном жёстком диске можно установить несколько операционных систем;
Структура диска, разбитого на разделы
Информация о распределении разделов на жёстком диске хранится в таблице разделов
(англ. partition table), которая является частью главной загрузочной записи (MBR). MBR
располагается в первом физическом секторе жёсткого диска, точно так же, как в первом
физическом секторе дискет и оптических дисков располагается загрузочный сектор. Так
как в жёстком диске имеется несколько разделов, он должен иметь и несколько
загрузочных секторов — каждый из них располагается в первом физическом секторе
соответствующего раздела. Информация о том, какой из загрузочных секторов следует
использовать для загрузки операционной системы, тоже записана в главной загрузочной
записи. Так как в MBR под таблицу разделов выделенно 64 байта по 16 байт на раздел, то
всего на жестком диске может быть создано 4 раздела.
Принципы формирования разделов
Со времен MS-DOS для персональных компьютеров утвердилась схема деления
дискового пространства винчестера на 4 основных раздела. Основные разделы, в свою
очередь, могут быть разделены на логические диски.
Отметим, что такой принцип формирования разделов абсолютно необязателен, но
используется де-факто, чтобы сохранить совместимость данных на винчестере в разных
операционных системах. Конечно, данная схема деления дискового пространства весьма
несовершенна, но надо помнить, что она была предложена корпорацией Microsoft во
времена использования MS-DOS, когда любые ресурсы компьютера были острым
дефицитом.
В принципе, допустима любая комбинация основных разделов и логических дисков,
но, как правило, желательно создавать логические диски только на одном основном
разделе. Теоретического обоснования этому нет, так как из-за доминирования
операционной системы Windows на большинстве персональных компьютеров фактически
используется вариант с двумя основными разделами, как это показано на рис..
Рис. Традиционная схема деления дискового пространства
Первый раздел С: (см. рис. ) предназначен для установки основной операционной
системы, как правило, Windows 95, 98, Me, 2000, XT, а второй -так называемый
расширенный раздел . Обычно расширенный раздел делится на 2 или 3 логических диска
и используется для хранения архивов или установки других операционных систем, опятьтаки чаще всего Windows 2000 или ХР. Если устанавливается операционная система
Linux, то она для полноценной установки должна быть расположена в расширенном
разделе, так как необходимо использовать примерно 3 логических диска, чтобы данные
были полноценно защищены от хакеров1.
Информация о параметрах основных разделов хранится в главной таблице разделов,
которая начинается с адреса IbeH в загрузочном секторе винчестера.
Для описания параметров каждого раздела отводится 16 байт, поэтому адреса
элементов таблицы разделов начинаются с IbeH, IceH, IdeH и leeH. Структура элемента
раздела показана на рис. 11.17.
Просмотреть информацию из таблицы разделов можно, например, с помощью
программы DiskEdit, входящей в программный пакет Norton Utilities. В табл. 11.8 показан
пример таблицы разделов для варианта с двумя разделами EAT.
Логические диски, создаваемые в расширенном разделе, имеют в начальных секторах
собственные таблицы разделов, которые аналогичны таблице разделов главной
загрузочной записи. Но, в отличие от адресации основных разделов, логические диски
адресуются по цепочке: в таблице разделов диска D указываются параметры диска Е и т.д.
Порядок имен логических дисков в операционной системе Windows может не
соответствовать реальной нумерации разделов.
Попытка изменить установленный корпорацией Microsoft порядок разбиения
дискового пространства на винчестере с помощью программы FDISK из комплекта MSDOS или Windows, которая хоть и показывает наличие на винчестере разделов с другими
типами операционных систем, не приведет к успеху.
Таблица основных разделов на винчестере в окне редактора
Part
Boot
Start
Syst
E
Start
Number Mb
Head
C
Se em
Head nd C Sector sector
of
yl
ctor
yl
sectors
1
Y
1
0
1
06h
31
6
63
63
112695
5
2 es N
0
6
1
05h
31 21 8
63
11269 4 530208 50 2
3 o N
0 22 0
0
0
0 21 0
0 44 0
0
58 0
4 o N
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
o
Виды логических разделов
Первичный (основной) раздел
Первичный раздел (англ. primary partition) обязательно должен быть на физическом диске.
Этот раздел всегда содержит либо одну файловую систему, либо другие логические
разделы. На физическом диске может быть до четырёх первичных разделов. Некоторые
старые операционные системы — например, MS-DOS и Microsoft Windows — могли быть
установлены только на первичный раздел.
Расширенный (дополнительный) раздел
Основная таблица разделов может содержать не более 4 первичных разделов, поэтому был
изобретён
Расширенный раздел (англ. extended partition). Это первичный раздел, который не
содержит собственной файловой системы, а содержит другие логические разделы.
Пример разбиения жёсткого диска на разделы
Первичный раздел 1 (Логический раздел 1): ФС
Физический
диск
Расширенный раздел
Логический раздел 2)
(Первичный
раздел
2,
Логический раздел 4:
ФС
Логический раздел 5:
ФС
Первичный раздел 3 (Логический раздел 3): ФС
Программы для работы с разделами обычно называют «дисковыми утилитами».






Наиболее известная программа для работы с разделами — PowerQuest
PartitionMagic[1]
В операционной системе MS-DOS по умолчанию имелась программа fdisk,
позволяющая работать с разделами
fdisk, cfdisk и sfdisk — стандартные текстовые утилиты для работы с разделами
диска под GNU/Linux
Disk Druid — утилита по работе с разделами диска под GNU/Linux с графическим
пользовательским интерфейсом
GParted — GNOME Partition Editor (free, GUI)
Оснастка «Управление дисками», являющаяся частью консоли Windows NT
(Windows Management Console), позволяет увидеть основные, дополнительные и
логические разделы, изменить букву логического раздела жёсткого диска или
отформатировать его.
Partition Magic — компьютерное программное обеспечение для деления жёсткого диска
на разделы, разработанное корпорацией PowerQuest, ныне принадлежит корпорации
Symantec. Программа запускается в операционных системах Windows и с загрузочного
диска. Позволяет создавать разделы, а также изменять имеющиеся без потери какой-либо
информации.
Partition Magic может изменять размер разделов с файловой системой NTFS и FAT(16 и
32), а также может копировать и перемещать разделы, в том числе на другие диски.
Другие возможности программы:







конвертация между файловыми системами
модификация размеров кластеров
объединение двух соседних разделов, имеющих одинаковую файловую систему
BootMagic™ позволяет переключаться между операционными системами
Создание и изменение разделов размером до 300 и более Гбайт
Поддержка внешних носителей USB 2.0, USB 1.1 и FireWire®
Увеличение NTFS-разделов без перезагрузки компьютера
fdisk — общее название системных утилит для управления разделами жёсткого диска.
Широко распространены и имеются практически в любой операционной системе, но
работают по-разному. Используют текстовый интерфейс пользователя.
RAID (англ. redundant array of independent/inexpensive disks —
избыточный массив независимых/недорогих жёстких дисков) — массив из
нескольких дисков, управляемых контроллером, взаимосвязанных
скоростными каналами и воспринимаемых внешней системой как единое
целое. В зависимости от типа используемого массива может обеспечивать
различные степени отказоустойчивости и быстродействия. Служит для
повышения надёжности хранения данных и/или для повышения скорости
чтения/записи информации.
Аббревиатура RAID изначально расшифровывалась как «Redundant Array
of Inexpensive Disks» («избыточный (резервный) массив недорогих дисков»,
так как они были гораздо дешевле RAM). Именно так был представлен RAID
его создателями Петтерсоном (David A. Patterson), Гибсоном (Garth A.
Gibson) и Катцом (Randy H. Katz) в 1987 году. Со временем RAID стали
расшифровывать как «Redundant Array of Independent Disks» («избыточный
(резервный) массив независимых дисков»), потому как для массивов
приходилось использовать и дорогое оборудование (под недорогими дисками
подразумевались диски для ПЭВМ).
Калифорнийский университет в Беркли представил следующие уровни
спецификации RAID, которые были приняты как стандарт де-факто:
RAID 0 — представлен как неотказоустойчивый дисковый массив.
RAID 1 — определён как зеркальный дисковый массив.
RAID 2 — зарезервирован для массивов, которые применяют код
Хемминга.
RAID 3, 4, 5 — используют чётность для защиты данных от одиночных
неисправностей.
RAID 6 — используют чётность для защиты данных от двойных
неисправностей
Пять таинственных слов
В основе теории RAID лежат пять основных принципов – пять
таинственных слов. Это:

Массив (Array);

Зеркалирование (Mirroring);

Дуплекс (Duplexing);

Чередование (Striping);

Четность (Parity).
Массив — несколько накопителей, которые централизованно
настраиваются, форматируются и управляются. Логический массив – это уже
более высокий уровень представления, на котором не учитываются
физические характеристики системы. Соответственно, логические диски
могут по количеству и объему не совпадать с физическими. Но лучше всетаки соблюдать соответствие: физический диск – логический диск. Наконец,
для операционной системы вообще весь массив является одним большим
диском.
Зеркалирование – технология, позволяющая повысить надежность
системы. В RAID массиве с зеркалированием все данные одновременно
пишутся не на один, а на два жестких диска. То есть создается «зеркало»
данных. При выходе из строя одного из дисков вся информация остается
сохраненной на втором.
Дуплекс – развитие идеи зеркалирования. В этом случае так же высок
уровень надежности и требуется в два раза больше жестких дисков. Но
появляются дополнительные затраты: для повышения надежности в систему
устанавливаются два независимых RAID контроллера. Выход из строя
одного диска или контроллера не сказывается на работоспособности
системы.
Чередование – отличная
возможность
повысить
быстродействие
системы.
Очевидно, если чтение и запись
вести параллельно на нескольких
жестких дисках, можно получить
выигрыш в скорости. Как это
делается? Записываемый файл
разбивается
на
части
определенного
размера
и
посылается одновременно на все
имеющиеся накопители. В таком
фрагментированном виде файл и
хранится. Считывается он тоже «по
кусочкам».
Размер «кусочка» может быть минимальным – 1 байт, но чаще
используют более крупное дробление – по 512 байт (размер сектора).
Четность является альтернативным решением, соединяющим в себе
достоинства зеркалирования (высокая надежность) и чередования (высокая
скорость работы). Используется тот же принцип, что и в контроле четности
оперативной памяти.
Если имеется I блоков данных и на их основе вычисляется еще один
дополнительный экстраблок, из получившихся (I+1) блоков всегда можно
восстановить информацию даже при повреждении одного из них.
Соответственно, для создания нормального RAID-массива в этом случае
требуется (I+1) жесткий диск.
Распределение блоков по дискам точно такое же, как при чередовании.
Экстраблок может записываться на отдельный накопитель, либо
раскидываться по дискам.
Что же хранится в экстраблоке? Обычно каждый бит экстраблока
состоит из суммы бит всех I блоков, точнее из результата выполнения
логической операции XOR. XOR – удивительный оператор, при его
повторном наложении мы можем получить первоначальный результат. То
есть (A XOR B) XOR B = A. Это правило распространяется на любое
количество операндов.
Плюсы четности очевидны. За счет использования чередования
повышается скорость работы. При зеркалировании надежность сохраняется,
но при этом «нерабочий» объем массива заметно уменьшается, он одинаков
при любом количестве дисков и составляет емкость одного диска, то есть при
5 дисках в массиве пропадает всего 20% емкости.
Но у четности есть весомый минус. Для формирования экстраблоков
требуются вычисления! Их надо делать на лету, причем с миллионами,
миллиардами бит! Если это дело поручить центральному процессору, мы
получим очень «тормознутую» систему. Необходимо использовать довольно
дорогие платы с RAID-контроллерами, которые «берут все вычисления на
себя». В случае выхода из строя одного из дисков, процесс восстановления
будет не столь быстрым, как при зеркалировании.
Уровни RAID
RAID 0
RAID 0 (Striping — «чередование») —
дисковый массив из двух или более жёстких
дисков
с
отсутствием
избыточности.
Информация разбивается на блоки данных (Ai) и
записывается
на
оба/несколько
дисков
одновременно.
(+): За счёт этого существенно повышается
производительность (от количества дисков
зависит
кратность
увеличения
производительности).
(+): RAID 0 может быть реализован как
программно, так и аппаратно.
(−): Страдает надёжность всего массива
(при выходе из строя любого из входящих в
RAID 0 винчестеров полностью и безвозвратно пропадает вся информация).
Надёжность массива RAID 0 заведомо ниже надёжности любого из дисков в
отдельности.
RAID 1 (Mirroring — «зеркалирование»).
На два жестких диска пишутся две одинаковые копии данных. При
этом можно использовать дешевый RAID
контроллер или даже его программную
реализацию.
Хранение данных в RAID 1
RAID 1 позволяет надежно защитить
данные и обеспечить работу системы даже при
поломке одного из дисков. Вот почему он
получил широкое распространение среди
пользователей, желающих защитить от потери
личные данные. Выигрыша в скорости при
использовании RAID 1 нет.
(+): Обеспечивает приемлемую скорость з
аписи и выигрыш по скорости чтения при
распараллеливании запросов.
(+): Имеет высокую надёжность —
работает до тех пор, пока функционирует хотя бы один диск в массиве.
(-): Недостаток заключается в том, что приходится выплачивать
стоимость двух жёстких дисков, получая полезный объем одного жёсткого
диска (классический случай, когда массив состоит из двух дисков).
RAID 2
Второй
уровень
RAID умер, так и не
родившись. Все те же
умельцы
из
Беркли
предложили использовать
одновременно
две
технологии – побитовое
чередование
и
код
Хамминга
для
вос
становления ошибок. В
теории это должен быть
неплохой по надежности и
рабочей емкости массив,
построенный из 14 или 39
дисков (!). Часть дисков (10
или 32) используется для хранения данных с чередованием, остальные – для
хранения высчитанных контрольных сумм. Реализация таких систем
требовала специальных дорогостоящих контроллеров, которые так и не
прижились на рынке. В итоге RAID 2 сейчас не используется. Но идея
красивая.
RAID 3
Структура массива RAID 3 такова: в массиве из n дисков данные
разбиваются на блоки размером 1
байт и распределяются по n − 1
дискам, а еще один диск используется
для хранения блоков четности. В
RAID 2 для этой цели стояло n − 1
дисков,
но
большая
часть
информации
на
этих
дисках
использовалась только для коррекции
ошибок на лету, а для простого
восстановления в случае поломки
диска достаточно меньшего ее
количества,
хватает
и
одного
выделенного винчестера.
Соответственно, отличия RAID
3 от RAID 2 очевидны: невозможность коррекции ошибок на лету и меньшая
избыточность.
(+): скорость чтения и записи данных высока, а для создания массива
требуется совсем немного дисков, всего три.
(-): массив этого типа хорош только для однозадачной работы с
большими файлами, так как наблюдаются проблемы со скоростью при
частых запросах данных небольшого объёма.
(-): большая нагрузка на контрольный диск, что приводит к тому, что
его надёжность сильно падает по сравнению с дисками с данными.
RAID 4
RAID 4 похож на RAID 3, но
отличается от него тем, что данные
разбиваются на блоки, а не на байты.
Таким образом, удалось «победить»
проблему низкой скорости передачи
данных небольшого объема. Запись же
производится медленно из-за того, что
четность для блока генерируется при
записи
и
записывается
на
единственный диск. Из систем
хранения широкого распространения
RAID-4 применяется на устройствах
хранения компании NetApp (NetApp
FAS), где его недостатки успешно
устранены за счет работы дисков в специальном режиме групповой записи,
определяемом используемой на устройствах внутренней файловой системой
WAFL.
RAID 5
Основным недостатком уровней
RAID от 2-го до 4-го является
невозможность
производить
параллельные операции записи, так
как для хранения информации о
четности используется отдельный
контрольный диск. RAID 5 не имеет
этого недостатка. Блоки данных и
контрольные
суммы
циклически
записываются на все диски массива,
нет асимметричности конфигурации
дисков.
(+): RAID5 получил широкое
распространение, в первую очередь,
благодаря
своей
экономичности.
Объем дискового массива RAID5 рассчитывается по формуле (n-1)*hddsize,
где n - число дисков в массиве, а hddsize - размер одного диска. Например для
массива из 4-х дисков по 80 гигабайт общий объем будет (4 - 1) * 80 = 240
гигабайт. На запись информации на том RAID 5 тратятся дополнительные
ресурсы, так как требуются дополнительные вычисления, зато при чтении
(по сравнению с отдельным винчестером) имеется выигрыш, потому что
потоки данных с нескольких накопителей массива обрабатываются
параллельно.
(-): Недостатки RAID 5 проявляются при выходе из строя одного из
дисков — весь том переходит в критический режим (degrade), все операции
записи и чтения сопровождаются дополнительными манипуляциями, резко
падает производительность. При этом уровень надежности снижается до
надежности RAID-0 с соответсвующим количеством дисков (то есть в n раз
ниже надежности одиночного диска). Если до полного восстановления
массива произойдет выход из строя, или возникнет невосстановимая ошибка
чтения хотя бы на еще одном диске, то массив разрушается, и данные на нем
восстановлению обычными методами не подлежат. Минимальное количество
используемых дисков равно трём.
С томом RAID 5 можно использовать диск Hot Spare. Основное время
дополнительный диск простаивает, но при выходе из строя одного из дисков
массива, его восстановление начинается немедленно с использованием spareдиска. При использовании одного тома RAID5 данная конфигурация дисков
является
расточительной,
эффективнее
использовать
RAID6.
Целесообразность использования spare-диска проявляется в системе из
нескольких томов RAID5, в которой spare-диск проинициализирован для
каждого из томов RAID5, и может быть использован в случае необходимости
для немедленного восстановления любого из томов.
RAID 6 (ADG)
RAID 6 (Advanced Data Guarding) — похож на RAID 5, но имеет более
высокую степень надежности — под контрольные суммы выделяется
емкость 2-х дисков, рассчитываются 2 суммы по разным алгоритмам.
Требует более мощный RAID-контроллер. Обеспечивает работоспособность
после одновременного выхода из строя двух дисков — защита от кратного
отказа. Для организации массива требуется минимум 4 диска. Обычно
использование
RAID-6
вызывает
примерно
10-15%
падение
производительности дисковой группы, по сравнению с аналогичными
показателями RAID-5, что вызвано бόльшим объемом обработки для
контроллера (необходимость рассчитывать вторую контрольную сумму, а
также прочитывать и перезаписывать больше дисковых блоков при записи
каждого блока).
RAID 7
RAID 7 — зарегистрированная марка компании Storage Computer
Corporation. Структура массива такова: на n − 1 дисках хранятся данные,
один диск используется для складирования блоков четности. Но добавилось
несколько важных деталей, призванных ликвидировать главный недостаток
массивов такого типа: кэш данных и быстрый контроллер, заведующий
обработкой запросов. Это позволило снизить количество обращений к
дискам для вычисления контрольной суммы данных. В результате удалось
значительно повысить скорость обработки данных (кое-где в пять и более
раз).
Прибавились и новые недостатки: очень высокая стоимость реализации
такого массива, сложность его обслуживания, необходимость в источнике
бесперебойного питания для предотвращения потери данных в кэш-памяти
при перебоях питания.
Составные RAID массивы
У основных уровней RAID есть свои достоинства и недостатки. И
вполне понятно, почему инженеры стали мечтать о таком RAID, который бы
объединял достоинства нескольких уровней. Составной RAID массив – это
чаще всего сочетание быстрого RAID 0 с надежным RAID 1, 3 или 5.
Итоговый массив действительно обладает улучшенными характеристиками,
но и платить за это приходится повышением стоимости и сложностью
решения.
Составной RAID строится так: сначала диски разделяются на наборы
(set). Затем на основе каждого из наборов строятся простые массивы. А
завершается все объединением этих массивов в один мегамассив. Запись
типа X+Y означает, что сначала диски объединены в RAID уровня X, а затем
несколько RAID X массивов объединены в RAID уровня Y.
RAID 0+1 (01) и 1+0 (10)
RAID 0+1 часто называют «зеркалом страйпов», а RAID 1+0 –
«страйпом зеркал» (нормальное русское «чередование» практически не
используется, сменившись американизмом). В обоих случаях используются
две технологии – чередование и зеркалирование, но результаты разные.
RAID 0+1 обладает высокой скоростью работы и повышенной
надежностью, поддерживается даже дешевыми RAID контроллерами и
является недорогим решением. Но по надежности несколько лучше RAID
1+0. Так, массив из 10 дисков (5 по 2) может остаться работоспособным пи
отказе до 5 жестких дисков!
Основной недостаток этих массивов – низкий процент использования
емкости накопителей – всего 50%. Но для домашних систем именно RAID 01
или 10 может оказаться оптимальным решением.
RAID 0+3 (03) и 3+0 (30)
С этими массивами у производителей наблюдается путаница. Довольно
часто вместо 0+3 или 3+0 указывают более привлекательное число 5+3 (53).
Не верьте!
По идее сочетание чередования и RAID 3 дает выигрыш в скорости, но
он довольно мал. Зато система заметно усложняется. Наиболее простой
уровень 3+0. Из двух массивов RAID 3 строится страйп, и минимальное
количество требуемых дисков – 6. Получившийся RAID 3+0 с точки зрения
надежности лучше, чем 0+3.
Достоинства этих комбинаций в довольно высоком проценте
использования емкости дисков и высокой скорости чтения данных.
Недостатки – высокая цена, сложность системы.
RAID 0+5 (05) и 5+0 (50)
Что будет, если объединить чередование с распределенной четностью с
обыкновенным чередованием? Получится быстрая и надежная система. RAID
0+5 представляет собой набор страйпов, на основе которых построен RAID 5.
Такая комбинация используется редко, так как практически не дает
выигрыша ни в чем. Широкое распространение получил составной RAID
массив 5+0.
Чаще всего это два массива RAID 5, объединенных в страйп. Такая
конфигурация позволяет получить высокую производительность при работе с
файлами малого размера. Типичный пример – использование в качестве
WEB-сервера.
RAID 1+5 (15) и 5+1 (51)
Этот уровень построен на сочетании зеркалирования или дуплекса и
чередования с распределенной четностью. Основная цель RAID 15 и 51 –
значительное повышение надежности. Массив 1+5 продолжает работать при
отказе трех накопителей, а 5+1 - даже при потере пяти из восьми жестких
дисков! Платить приходится большим количеством неиспользуемой емкости
дисков и общим удорожанием системы.
Чаще всего для построения RAID 5+1 используют два контроллера
RAID 5, которые зеркалируют на программном уровне, что позволяет
снизить затраты.
Флэш-память
Флэш-память (Flash Memory) относится к классу EEPROM
(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) — электрически
стираемое перепрограммируемое ПЗУ или ЭСППЗУ.
Основная черта данного типа устройств — энергонезависимость. Это
означает, что такой памяти не нужно электричество для сохранности данных.
Флэш-память может быть прочитана сколько угодно раз, при этом
записать информацию в нее можно ограниченное число раз (обычно около
10 000).
Накопители, использующие флэш-память, не содержат подвижных
частей, поэтому являются более надежными по сравнению с жесткими
дисками. Недостатком по сравнению с жесткими дисками является большая
цена при меньшем объеме.
Всю флэш-память можно условно разделить на три большие группы:
SSD — твердотельные накопители;
со встроенным USB-контроллером;
сменные карты памяти для электронных устройств.
Благодаря своей компактности, дешевизне и низкой потребности в
электроэнергии флэш-память широко используется в портативных
устройствах, работающих на батарейках и аккумуляторах – цифровых
фотокамерах и видеокамерах, цифровых диктофонах, MP3-плеерах, КПК,
мобильных телефонах, а также смартфонах. Кроме того, она используется
для хранения встроенного программного обеспечения в различных
периферийных устройствах (маршрутизаторах, мини-АТС, коммуникаторах,
принтерах, сканерах).
По сравнению с другими тинами ПЗУ, такими как жесткие диски или
оптические накопители, флэш-память имеет как свои плюсы, так и минусы
(табл. 6.12)
Тип ПЗУ
Преимущества
Недостатки
Жесткий диск
Большой объем
Стационарная привязка к
хранимой инкомпьютеру.
формации.
Большие габариты.
Высокая скорость Чувствительность к
работы.
вибрации. Шум.
Тепловыделение
Оптический диск Дешевизна
Удобство
Малый объем.
хранения
данных
в
транспортировки. Необходимость в
расчете
на 1 Мбайт считывающем устройстве.
Относительная
дешевизна храОграничения при
нения информации. операциях чтения/записи.
Возможность
Невысокая скорость
тиражирования
работы.
Флэш-память
Высокая скорость Высокая
себестоимость
1
Чувствительность
к
доступа к данным. Мбайт
хранимой
вибрации.
Экономное
информации.
Шум
энергопотребление. Ограниченное количество
Устойчивость к
циклов записи
вибрациям.
SSD
Высокая
Удобствоскорость Высокая себестоимость 1
доступа
к данным.
подключения
к ком- Мбайт хранимой
Экономное
информации
пьютеру.
энергопотребление.
Компактные
Устойчивость
к
размеры
вибрациям.
В основе флэш-карт
и различного рода флэш-накопителей\ например
Компактные
USB-брелоков (USB Flash Drive), лежат микросхемы флэш-памяти. В
настоящее время размеры
массово выпускаются микросхемы флэш-памяти,
использующие технологии NOR и NAND. Самая первая — это технология
NOR (Not-Or), разработанная корпорацией Intel в 1988 году на основе ячеек
ИЛИ-НЕ, в дальнейшем была разработана технология NAND (Not-And) на
основе ячеек И-НЕ.
Каждая технология имеет свои достоинства и недостатки; для
сравнения в табл. 5.7 приведены наиболее важные характеристики.
Таблица. Характеристики
*
Тип флэш-памяти
Характеристика
NOR Flash
NAND Flash
i
Высокоскоростной
Да
Да
доступ
Страничный доступ к Нет
Да
данным
Случайный доступ к Да
Нет
байту
Области применения
BIOS,
телефоны
сотовые Накопители
данных,
фотокамеры,
МРЗ-плееры
В начале нового столетия ощутимый импульс развитию флэш-памяти
дала популяризация цифровой фототехники. Именно эти устройства
постоянно требовали все больших объемов и скоростей записи. Чуть позже
дополнительный стимул рынку флэш-памяти придало появление компактных
музыкальных (а позже и видео-) плееров
К тому же огромное количество пользователей оценило удобство
транспортировки данных в компактных и одновременно емких гаджетах,
которые, ко всему прочему, довольно устойчивы к воздействиям
окружающей среды.
Сейчас уже мало кто сомневается в том, что в ближайшие годы флэшпамять только укрепит свои господствующие позиции в сегменте мобильных
решений (КПК, смартфоны, плееры), а вот за рыночную долю ПЗУ для
ноутбуков ей еще предстоит побороться, и уж совсем смутны ее перспективы
в системах настольных. Для них она пока не более чем контейнер для
транспортировки данных.
В 2008 году устройства SSD появлялись как грибы после дождя.
Каждый уважающий себя производитель, связанный с флэш-памятью, не
обошел эту нишу стороной. Была представлена целая россыпь продуктов —
от очень надежных и сверхскоростных до довольно простых и относительно
дешевых. Пока объемы таких устройств варьируются в пределах от 8 до 512
Гбайт.
Пока еще распространенными являются USB-флэш-накопители. Они
компактны, мобильны и подключаются к любому компьютеру, имеющему
USB-разъем. Производители, дабы угодить потенциальным покупателям,
идут на массу уловок, совмещая эту память с различного рода аксессуарами:
от авторучек и брелоков с рекламной символикой до элитных дизайнерских
решений.
Карты памяти радуют глаз своим многообразием. Конечно, рядовому
потребителю эта чехарда стандартов несет больше неудобств, чем пользы.
Нередки ситуации, когда телефону нужна одна карта, наладоннику — другая,
а фотоаппарату — третья. Вся эта неразбериха образовалась не без участия
самих производителей, стремящихся извлечь как можно больше выгоды от
эксклюзивной продажи тех или иных носителей. Вот лишь небольшой список
наиболее распространенных на сегодняшний день карт:
CompactFlash Type I (CF I)/Type II (CF II);
Memory Stick (MS Pro, MS Duo);
SecureDigital (SD), SD High Capacity (SDHC);
miniSD, microSD;
xD-Picture Card (xD);
MultiMedia Card (MMC).
В последнее время количество типов флэш-карт значительно
выросло. причем имеет место тенденция уменьшения габаритов наиболее
популярных флзш-карт. В табл. 5.6 приводятся лишь основные
характеристики только популярных флэш-карт. Заметим, что. несмотря на
многочисленные выпускаемые типы флэш-карг, сегодня имеет смысл
ориентироваться только на три семейства — это CF. SD, McmorySiick и их
малогабаритные производные, остальные варианты поддерживаются, в
основном, фирмой-разработчиком той или иной аппаратуры
Таблица Характеристики флэш-карт
Тип флэш-карты Напряжение, В
Контакто Габариты, мм
в
CompactFlash
3,3 и 5
50
Type I:
(CF)
36,4x42,8x3,3
Secure
Digital 2,7-3,3
9
32x24x2,1
(SD)
Secure
Digital 2,7—3,3
11
20x21,5x1,4
miniSD
Secure
Digital 2,7—3,3
1
8
15x11x1
microSD
MultiMediaCard 3,3
7
32x24x2,1
MultiMediaCard
MMCplus
MultiMediaCard
MMCmobile
2,7-3,3
1,8—3,3
13
32x24x1,4
18x24x1,4
Наиболее поддерживаемым является формат SD/MMC. Поэтому
карты этого типа отличаются самой приемлемой ценой хранения 1 Мбайт
информации.
В настоящее время максимально доступный объем для карт,
построенных на флэш-памяти (из имеющихся в продаже), — 32 Гбайт.
Разработка новых технологий производства полупроводниковых чипов ПЗУ
свидетельствует о том, что в скором времени эта планка будет подвинута в
сторону более высоких значений.
Дисковод компакт-дисков CD-ROM (Compact Disk Read-only Memory,
рус. — ПЗУ на основе компакт-диска). Принцип действия этого устройства
состоит в считывании числовых данных с помощью лазерного луча,
отражающегося от поверхности диска. В магнитооптических дисках
информация также хранится на магнитном носителе, но чтение и запись
осуществляются лучом лазера, что значительно повышает сохранность
информации. Информация на лазерных дисках представляет собой участки, в
различной степени отражающие лазерный луч.
Цифровая запись на компакт-диске отличается от записи на магнитных
дисках очень высокой плотностью, и стандартный компакт-диск может
хранить примерно 650 Мб информации. Основной недостаток CD-ROM (CDR) — невозможность записи данных. Однако существуют и записывающие
устройства CD-RW. Они стоят существенно дороже и позволяют однократно
записывать информацию на специальные носители, отличающиеся от
обычных компакт-дисков типом поверхностного покрытия. В остальном они
совместимы.
Структура компакт-диска
Физическая структура
CD представляет собой прозрачный диск из поликарбоната радиусом 60
мм с центральным отверстием диаметром 15 мм. На одной из поверхностей
диска имеется спиральная дорожка длиной около 5 км с расстоянием между
витками 1,5 мкм. Сверху на дорожку нанесена отражающая металлическая
плёнка и защитное лаковое покрытие. Снизу дорожка защищена слоем
поликарбоната толщиной около 1 мм. Информация на CD-Rom представлена
в виде последовательности питов (углублений) и лэндов (возвышений),
расположенная на дорожке. На CD-R и CD-RW вместо углублений и
возвышений используются участки различной прозрачности.
Принцип записи информации на диск
Запись информации на CD диск производится лазерным лучом с длиной
волны 780 нм. Двигаясь вдоль спиральной дорожки, лазер прожигает слой
полимера в необходимых местах, изменяя его прозрачность. CD-RW, в
отличие от CD-R, позволяет записывать и удалять информацию многократно,
поскольку в них используется полимер, восстанавливающий прозрачность.
Плотность записи данных обратно пропорциональна длине волны
лазерного излучения. DVD-приводы используют для записи/чтения луч с
длиной волны 650 нм, что позволяет увеличить ёмкость носителя до 4 Гбайт.
Ещё одна полезная особенность DVD – увеличенная апертура пучка,
благодаря чему на процесс чтения уменьшается влияние дефектов
поверхности носителя. BlueRay-приводы используют лазерный луч с длиной
волны 405 нм и ещё большей апертуры, чем у DVD. Ёмкость BR диска
составляет около 25 Гбайт.
Логическая структура
Логической 1 соответствует переход от пита к ленду или от ленда к питу,
а 0 – отсутствие перехода. Длина пита должна быть не менее 3 бит, а лэнда –
не более 11 бит, т.е. единицы разделяются нулями в количестве от 2 до 10.
Это нужно для корректного позиционирования лазерной головки на дорожке,
поскольку следящая система привода реагирует на переменный сигнал. 14
бит образуют одно EFM-слово, или 1 байт информации. По специальной
таблице 14 бит перекодируются в 8. Между двумя EFM-словами находятся 3
связующих бита (Merging bits), назначение которых – устранение ложных
синхрогрупп.
Рис. 1.1. Битовая структура компакт-диска CD-Rom
36 байт (36 EFM-слов, 504 бита) образуют 1 фреймовый кадр (F1 frame). 3
первых байта кадра составляют синхрогруппу, четвёртый байт – байт
субкода, 12 байт – данные (на аудиодисках – сэмпл канала А), 4 байта полей
контрольных сумм (CRC), 12 байт данных (на аудиодисках – сэмпл канала В)
и 4 байта CRC. В полях контрольных сумм содержатся коды Рида-Соломона,
назначение которых – исправление ошибок при чтении.
Рис. 1.2. Фреймовый кадр
98 кадров (2352 байт) образуют 1 сектор (блок). Кадры хаотично
перемешаны, чтобы уменьшить влияние дефектов носителя. Первые 16 байт
составляют заголовок (Header), из которых 12 байт – поле синхронизации (00
FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 00), служащее индикатором начала сектора, 3
байта – поле адреса (MSF) и 1 байт – поле режима. Остальные байты –
пользовательские данные.
Рис. 1.3. Заголовок сектора
Сектор – наименьший адресуемый раздел диска, который привод способен
читать в сыром виде. Каждые из восьми бит, слагающих байт субкода,
обозначаются заглавными латинскими буковами: P, Q, R, S, T, U, V и W.
Одноименные биты субканальных байтов всех фреймов объединяются в
каналы субкода. Каналы состоят из секций, каждая из которых образуется
путем объединения субканальных данных из 98 фреймов, т.е. соответствует
одному сектору. Данные каналов P и Q привод может читать
непосредственно, причем значимыми из них являются только первые 12
байт, а остальные используются для выравнивания. Канал P содержит в себе
маркер окончания текущего трека и указатель на следующий трек, а канал Q
используется для хранения сервоинформации, определяющий текущую
позицию данного блока на диске, и является важнейшим каналом из всех.
Структурно канал Q состоит из четырех управляющих битов,
соответствующих полю Control, четырех адресных битов, соответствующих
полю q-Mode, 72-битов Q-данных, соответствующих полю q-Data, и 16-битов
контрольной суммы, соответствующих полю CRC. Существуют 2 формата
адресации
секторов:
A-Time
и
LBA.
A-Time
адресация
[Минуты:Секунды:Доли], сохранившаяся от аудио-дисков. LBA – нумерация
секторов программной области, вычисляемая по формуле [1].
LBA = (((Min*60)+Sec)*75) – 150
[1]
Адреса вводной области (LeadIn) отрицательные.
Трек представляет собой последовательность секторов в количестве от
300. Для аудиодисков один трек – одна музыкальная композиция. Сессия
состоит как минимум из трёх треков. Первый – вводная область (LeadIn)
продолжительностью 60 секунд, размером 9 Mб и состоящая из 4500
секторов. Далее – программная область. Последний трек – выводная область
(LeadOut) продолжительностью 1.5 минуты, размером 13.5 Мб и состоящая
из 6750 секторов. Он сигнализирует лазерной головке об окончании сессии
для предотвращения выхода её за пределы диска. Сессия с вводной и
выводной областями является закрытой.
Из-за особенностей считывающей системы привода и необходимости
коррекции ошибок компакт-диск может хранить лишь около 60 % полезной
информации.