ТЕМАТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 5 страница

Акселераторы и графические сопроцессоры повышают быст­родействие видеоподсистемы отчасти благодаря сокращению ко­личества информации, передаваемой по системной шине компь­ютера. Часть изображения может создаваться этими устройства­ми уже без загрузки основного процессора. Для этого им посыла­ются специальные команды или даже небольшие подпрограммы (для сопроцессоров). Собственно акселератор представляет из себя специализированный графический сопроцессор, направлен­ный на выполнение строго определенного перечня графических операций с ориентацией на конкретные программы и приложе­ния. Соответственно графический сопроцессор – устройство бо­лее универсальное, которое можно запрограммировать на выпол­нение практически любых графических функций. Таким обра­зом, основная разница между сопроцессором и акселератором состоит в степени их программируемости. Поскольку эти уст­ройства оптимизированы именно для выполнения графических операций, то и все такие операции они выполняют быстрее, чем универсальный микропроцессор, кроме того, работают они с ним параллельно.

Широкое применение Windows подтолкнуло развитие видео­адаптеров с акселераторами, в первую очередь ориентированны­ми именно на эту программную среду. Большинство микросхем акселераторов берет на себя выполнение операций перемещения фрагментов растрового изображения (битовых блоков) BitBlt, ри­сования линий и многоугольников, закрашивания определенным цветом указанных многоугольников, а также поддержку аппарат­ного курсора.

3.5.5. Технология AGP

AGP (Accelerated Graphics Роrt – ускоренный графический порт) – скоростная шина для связи с графической картой. Разработана Intel (совместно с ведущими производителя­ми графических карт: ATI, Cirrus, S3) для высокоскорост­ной графики.

Портом является единственный на шине слот AGP, что и дает возможность отождествить шину с портом.

Основное преимущество AGP перед PCI заключается в скорости. AGP даже в самом медленном режи­ме в два раза быстрее, чем PCI. На самом деле эффективная скорость шины AGP еще выше в силу следующих основных ее возможностей: пакетно-конвейерного режима передачи; отсутствия накладных расходов на арбитраж; отсутствия мультиплексирования.

• Пакетно-конвейерный режим передачи. Шина PCI ра­ботает в последовательном режиме, похожем на асинх­ронный: выставляется адрес, далее следует большая пауза (это время доступа к памяти) и выставляются дан­ные. И так циклически. В AGP таких потерь нет. Выстав­ляется целый пакет адресов. По мере считывания адре­сов конвейерно готовятся данные, и после считывания последнего адреса данные сразу же начинают передавать­ся. После передачи последней порции данных сразу же начинается новый цикл.

• Отсутствие накладных расходов на арбитраж. Порт AGP единственный, и после каждой передачи не надо от­давать управление арбитру шины.

• Отсутствие мультиплексирования. В PCI адрес и данные передаются по одним и тем же линиям. В AGP есть режим передачи адресов по отдельным кана­лам, что ускоряет передачу. Это называется адресацией по боковой стороне (Sideband Addressing).

Для 3D-графики характерна потребность в большом коли­честве дополнительной видеопамяти. Эта память нужна для хранения текстур (рисунчатых покрытий поверхностей, использующихся для придания им большей реалистичнос­ти), z-буфера (хранит z-координаты точек, что позволяет вычислять только видимые), информации о прозрачности среды (для изображения тумана, дымки) и т. д.

Технология AGP позволяет использовать для этого часть основной памяти, которая на момент разработки AGP была значительно дешевле видеопамяти. Тем самым, во-первых, сама карта становится значительно дешевле, во-вторых, не нужно точно рассчитывать видеопамять. Эта часть основ­ной памяти называется АGP-память. Важно, что к АGР-памяти организован прямой доступ со стороны 3D-чипа.

Есть два основных режима использования AGP-памяти.

1. DMA. Все используемые текстуры хранятся в AGP-памяти, как в хранилище, а текущие подкачиваются (больши­ми пакетами) в видеопамять. Это более простой режим.

2. DiME (Direct Memory Execute – прямое выполнение в памяти). Здесь и локальная, и AGP-память равноправны, подкачка не производится. Это замедляет доступ. Для ускорения применяется таблица GART (Graphic Address Re-mapping Table), которая отображает логически непре­рывные адреса, используемые картой, на произвольно выделенные блоки в AGP-памяти. Для этого сложного и более медленного режима рекомендуется применять AGP с частотой 100 МГц.

3.6. Основные характеристики жестких дисков

Эволюция персональных компьютеров связана с изменениями накопителей на жестких дисках. Первые PC не имели таких накопителей, в компьютерах PC XT эти устройства уже использовались, а в PC/AT жестким дискам прида­валось особое значение.

Наименование диска – жесткий – подчеркивает его отличие от гибкого дис­ка: магнитное покрытие наносится на жесткую подложку. Термин же­сткий диск (hard disk) используется, в основном, в англоязычных странах. Пер­вый накопитель на жестких дисках был создан в 1973 г. по технологии фирмы IBM и имел кодовое обозначение “30/30” (двусторонний диск емкостью 30 + 30 Мбайт). Это кодовое обозначение совпадало с обозначением калибра леген­дарного охотничьего ружья “винчестер”, использовавшегося при завоевании Дикого Запада. Такие же намерения были и у разработчиков жесткого диска; наименование “винчестер” получило широкое распространение.

3.6.1. Устройство накопителей на жестких дисках

В настоящее время как основными производителями, так и дочерними фир­мами выпускаются несколько десятков типов накопителей на жестких дис­ках. Зачастую используются оригинальные конструкционные материалы, имеются отличия в расположении узлов, но принципы работы большинства накопителей одинаковы (рис. 3.6).

Взглянув на накопитель на жестком диске, вы увидите только прочный ме­таллический корпус. Он полностью герметичен и защищает дисковод от час­тичек пыли, которые при попадании в узкий зазор между головкой и поверх­ностью диска могут повредить чувствительный магнитный слой и вывести диск из строя. Кроме того, корпус экранирует накопитель от электромагни­тных помех.

Дисковод – устройство, которое содержит механизмы для вращения магнитного диска и перемещения головки чтения и записи по его поверхности.

Головка считывания/записи – магнитная головка, позволяющая осуществлять чтение и запись данных на диск.

Внутри корпуса находятся все механизмы и некоторые электронные узлы.

Механизмы – это сами диски, на которых хранится информация, головки, ко­торые записывают и считывают информацию с дисков, а также двигатели, приводящие все это в движение.

Диск представляет собой круглую металлическую пластину с очень ровной поверхностью, покрытую тонким ферромагнитным слоем. Технология его на­несения близка к той, которая используется при производстве интегральных микросхем.

Количество дисков может быть различным, количество рабочих поверхностей, соответственно, вдвое больше (по две на каждом ди­ске). Последнее (как и материал, использованный для магнитного покрытия) определяет емкость жесткого диска. Иногда наружные поверхности крайних дисков (или одного из них) не используются, что позволяет уменьшить вы­соту накопителя, но при этом количество рабочих поверхностей уменьшается и может оказаться нечетным.

Рис. 3.6. Основные элементы накопителя на жестких дисках

Магнитные головки считывают и записывают информацию на диски. Принцип записи в общем схож с тем, который используется в обычном магнитофоне. Цифровая информация преобразуется в переменный электрический ток, посту­пающий на магнитную головку, а затем передается на магнитный диск, но уже в виде магнитного поля, которое диск может воспринять и “запомнить”.

Магнитное покрытие диска представляет собой множество мельчайших облас­тей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. Для наглядности пред­ставьте себе, что диск покрыт слоем очень маленьких стрелок от компаса, направленных в разные стороны. Такие частицы-стрелки называются домена­ми. Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с его направлением. После прекраще­ния действия внешнего поля на поверхности диска образуются зоны остаточ­ной намагниченности. Таким образом сохраняется записанная на диск инфор­мация. Участки остаточной намагниченности, оказавшись при вращении диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней электродвижущую силу, изменяющуюся в зависимости от величины намагниченности.

Пакет дисков, смонтированный на оси-шпинделе, приводится в движение специальным двига­телем, компактно расположенным под ним. Для того чтобы сократить время выхода накопителя в рабочее состояние, двигатель при включении некоторое время работает в форсированном режиме. Поэтому источник питания компьютера до­лжен иметь запас по пиковой мощности.

Головки пере­мещаются с помощью прецизионного шагового двигателя и как бы “плывут” на расстоянии в доли микрона от поверхности диска, не касаясь его. Держатель головки представляет собой крыло, парящее над поверхностью, благодаря тому, что поверхность увлекает с собой частицы воздуха, создавая таким образом набегающий на крыло поток. На поверхности дисков в результате записи информации образуются намагниченные участки в форме концентрических окружностей. Они называются магнитными дорожками.

Дорожка – концентрическое кольцо на поверхности магнитного диска, на которое записываются данные.

Сектор – деление дисковых дорожек, представляющее собой основ­ную единицу размера, используемую накопителем. Секторы обычно содер­жат по 512 байтов.

Совокупность дорожек, расположенных друг под другом на всех по­верхностях, называют цилиндром. Все головки накопителя перемещаются од­новременно, осуществляя доступ к одноименным цилиндрам с одинаковыми но­мерами.

Число дисков, головок и дорожек накопителя устанавливается изготовите­лем исходя из свойств и качества дисков. Изменить эти характеристики нельзя. Количество секторов на диске зависит от метода записи. В одном сек­торе располагается 512 байт (в системе DOS). Зная эту величину, всегда мож­но рассчитать общий объем накопителя:

V = C · H · S · B,

где C – количество цилиндров; H – количество головок; S – количество секторов на дорожку; B – размер сектора.

Описанное выше разбиение называется низкоуровневым (LowLewel) форма­тированием. Такое форматирование нижнего уровня чаще всего выполняет изготовитель, используя специальные программные средства (например, Speed Store или Disk Manager) или команды DOS. Перед первым использованием дисков необходимо произвести их логическое форматирование – специальным образом инициализировать их (с помощью программы format).

Хранение и извлечение данных с диска требует взаимодействия между опера­ционной системой, контроллером жесткого диска и электронными и механиче­скими компонентами самого накопителя.

Электроника жеcткого диcка cпрятана в нижней части винчеcтера. Она раcшифровывает команды контроллера жесткого диска и передает их в виде изменяющегоcя напряжения на шаговый двигатель, перемещающий магнитные головки к нужно­му цилиндру диска. Кроме того, она управляет приводом шпинделя, стабили­зируя скорость вращения пакета дисков, генерирует сигналы для головок при записи, усиливает эти сигналы при чтении и управляет работой других электронных узлов накопителя.

3.6.2. Краткая характеристика интерфейсов жестких дисков

Основная функция интерфейса – передача данных из системы в накопитель и обратно. От типа интерфейса зависит, с какой скоростью будут осуществ­ляться эти операции, а это и определяет производительность компьютера.

Со времени создания персональных компьютеров было разработано несколь­ко типов интерфейсов: ST-506/412, ESDI, IDE, SCSI. Из них только первые два можно считать собственно интерфейсами для обмена информацией между контроллером и жестким диском. SCSI и IDE – интерфейсы системного уров­ня, в которых контроллер выполнен в виде микросхемы, установленной на плате накопителя. В интерфейсе SCSI между контроллером и системной ши­ной вводится еще один уровень организации данных и управления, а интер­фейс IDE взаимодействует с системной шиной непосредственно.

Интерфейс ST-506/412 разработан фирмой Seagate Technologies в 1982 г. Впер­вые он был использован в накопителе размером 5,25" емкостью 12 Мбайт. Подобные накопители использовались в качестве стандарта для PC XT и AT 286. Самыми известными из них являются два устройства фирмы Seagate: ST225 объемом 21,4 Мбайт и средним временем доступа 65 мс и ST251 (42,8 Мбайт, 28 мс). В обоих случаях речь идет о накопителях 5,25" половин­ной высоты (2,6"). В литературе эти накопители иногда называют МFМ-накопителями (по способу кодирования информации).

Интерфейс ESDI (Enhanced Small Device Interface – усовершенствованный интерфейс малых устройств) – специализированный интерфейс накопи­телей на жестких дисках, разработанный фирмой Maxtor. ESDI-накопители обычно бывают полной высоты и на­ходятся в корпусе 5,25". ESDI-накопители имеют до 53 секторов на дорожку и принадлежат к первым накопителям, емкость которых достигла 100 Мбайт. Поэтому область их применения – в первую очередь, сетевые серверы и высокоскоростные устройства (по меркам про­шлых лет). По сравнению с ST-506/412, в интерфейсе ESDI предприняты меры по сокра­щению числа ошибок считывания данных, в частности, шифратор/дешифра­тор расположен непосредственно на плате накопителя. Скорость передачи данных в этом стандарте может достигать 24 Мбайт/с, хотя на практике она составляет 10–15 Мбайт/с. При использовании интерфейса ESDI можно счи­тывать с жесткого диска карту расположения поверхностных дефектов (со­ответствующая информация завода-изготовителя может храниться на диске в служебном файле).

Дальнейшее совершенствование интерфейсов шло по пути объединения кон­троллера и накопителя на жестких дисках, что позволило повысить тактовую частоту шифратора/дешифратора, плотность размещения данных на носи­теле и общее быстродействие системы. Официальное название интерфейса IDE, признанного ANSI в марте 1989 г., – АТА (AT Attachment). Главные достоинства IDE-накопителей – дешевизна и быстродействие. Стандарты АТА прошли долгий путь эволюции, пока не была решена про­блема совместимости, возникающая при подключении к шинам ISA и EISA. В CMOS Setup первые IDE-накопители можно было устанавливать с их фи­зическими параметрами (Nature Mode) или указывать логический тип. Современные IDE-накопители поддерживают универсальный режим транс­ляции, при котором основным критерием выбора параметров накопителя является общее количество секторов данной модели. Большинство BIOS пер­сональных компьютеров имеют процедуру “Autodetect”, которая позволяет считывать и устанавливать паспортные параметры накопителя. Некоторые накопители, например, фирмы Conner, используют адаптивный режим трансляции, в котором накопитель сигнализирует о неправильном исполь­зовании дискового пространства. При инициализации накопителю переда­ются два параметра: количество головок и секторов; затем накопитель под­страивает свою логическую структуру таким образом, чтобы общая емкость не изменилась, причем коррекция осуществляется за счет цилиндров.

Спецификация стандарта АТА-2 (EIDE) была разработана фирмой Western Digital. Аналогичные стандарты Fast-ATA и Fast-ATA-2 были приняты фирма­ми Seagate и Quantum. Можно выделить четыре области, в которых стандарт АТА-2 претерпел существенные изменения по сравнению с исходным:

• увеличение максимальной емкости накопителей;

• увеличение скорости обмена данными;

• появление вторичного канала для подключения двух устройств;

• использование интерфейса ATAPI.

Максимальная емкость накопителей АТА-2 значительно увеличена за счет раз­работки улучшенной BIOS (Enhanced BIOS), что позволило преодолеть барьер в 504 Мбайт емкости жесткого диска. Появление этого ограничения связано с физическими параметрами жесткого диска (количество цилиндров, голо­вок, секторов).

SCSI-накопители имеют самую высокую скорость обмена данными. Но их достоинством является не столько скорость обмена информацией, сколько вся SCSI-система как таковая. SCSI Host-адаптер может управлять не только накопителем, но и всеми периферийными устройствами, которые подключе­ны к нему и поддерживают протокол SCSI. Для SCSI-накопителей (как и для IDE-накопителей) ни в коем случае нельзя выполнять низкоуровневое форматирование, поскольку при этом теряется информация о важнейших эксплуатационных параметрах, необходимых для обеспечения работоспособности устройства. Стандарт SCSI за время своего развития претерпел существенные изме­нения. Совершенствование интерфейса SCSI происходит и в настоящее время.

При сравнении возможностей накопителей на жестких дисках IDE и SCSI учи­тываются несколько факторов. При тестировании IDE-накопители в большин­стве случаев оказываются эквивалентными SCSI-устройствам. В IDE-накопи­телях при передаче данных из каждого сектора на вспомогательные операции затрачивается меньше времени, чем в SCSI (дополнительные задержки свя­заны с установлением соглашения о синхронизации, выбором жесткого дис­ка-адреса, запросом данных, сигналом окончания передачи, преобразованием логических адресов в физические, выраженные в значениях цилиндров, голо­вок и секторов). В результате интерфейс IDE имеет неоспоримые преимуще­ства при последовательном обмене данными, характерном для однозадачной операционной системы. При работе в многозадачной системе производитель­ность SCSI-устройств выше. Архитектура SCSI-накопителей сложнее архи­тектуры накопителей IDE.

3.6.3. Характеристики накопителей на жестких дисках

При оценивании достоинств того или иного накопителя на жестких дисках (или семейства накопителей), а также возможных ограничений обычно пользуются набором критериев оценки качества устройств.

Рассмотрим параметры, характеризующие накопители на жестких дисках.

Скоростные параметры. Среднее время доступа к данным (Average Access Time) – это среднее время, за которое голов­ка перемещается к нужной дорожке диска, устанавливает­ся на нее и начинает считывать данные. Измеряется оно в миллисекундах (мс) и составляет в на­стоящее время 8–11 мс. Данный параметр улучшается мед­ленно, так как совершенствовать механику трудно. Иногда время чтения меньше времени записи. Параметр обяза­тельно сообщается в торговых предложениях. Для конкрет­ного диска его можно оценить утилитами, например, Norton SI, Checkit.

Среднее время доступа имеет значение, например, когда ар­хивируется целый набор файлов, так как в это время голов­ки интенсивно перемещаются от файла к файлу.

Скорость вращения (Rotational Speed, Spindle Speed) – скорость вращения дисков, изме­ряемая в оборотах в минуту (RPM – Rotational Per Minute). Параметр относится к основным, так как пропорциональ­но скорости вращения диска растет скорость обмена дан­ными между винчестером и шиной данных системной пла­ты. Для дисков пользовательских компьютеров сейчас скорость вращения составляет 5400 и 7200 об/мин. Более высокооборотные диски (10000 об/мин и более) имеют SCSI-интерфейс. Они очень дороги и предназначены для серверов.

С ростом скорости вращения появляются проблемы вибра­ции, шума и нагрева. Наилучшим решением в ближайшее время будет использование гидродинамических подшип­ников, впервые внедренных фирмой Seagate.

При скорости 5400 об/мин никаких специальных мер по охлаждению применять не нужно. При скорости 7200 об/мин диск нужно устанавливать посередине хоро­шо вентилируемого корпуса и обеспечивать свободное про­странство для лучшего теплоотвода. При скорости вра­щения 10 000 об/мин применяют обдув диска отдельным вентилятором.

Перегрев диска приводит к температурным расширени­ям механики и, как следствие, ухудшает распознавание дорожек. Это вызывает замедление работы (что недопус­тимо для работы с аудио- и видеоинформацией в реальном времени).

В связи с этим, например, компания Quantum постоянно принимает меры по увеличению плотности записи, что по­зволяет получить ту же скорость доступа к данным, но при меньших оборотах.

Внутренняя скорость обмена (Internal Data Rate) – скорость обмена между поверхностью диска и буфером (Media to Buffer). Измеряется в мегабитах в секун­ду. Порядок чисел – 200 Мбит/с, или 20 Мбайт/с. Однако это пиковая скорость, реальная – 10–12 Мбит/с. В эту скорость неявно входят как множители скорость вра­щения и линейная плотность записи. К сожалению, данный параметр редко указывается в пред­ложениях, несмотря на то, что отражает реальную ско­рость жесткого диска. Измеряется он, например, утилитой Norton SI.

Внешняя скорость обмена (Data Transfer Rate Buffer-to-Host) – это скорость обмена между буфером и контроллером кана­ла (Host). Определяется интерфейсом, поддерживаемым диском (а также чипсетом со стороны системной платы). Она с запасом превосходит скорость считывания данных с диска, поэтому не очень существенна.

Среднее время перехода на соседнюю дорожку (Track-To-Track Seek Time) имеет значение только при работе с большими (не фрагментированными) файлами, поэтому редко указывается. Измеряется в миллисекундах. Типичное значение – около 1,5–3 мс.

Параметры надежности. Стойкость к ударам (Shock resistance). В механике под ударом понимается кратков­ременное воздействие значительной внешней силы. Стой­кость к ударам, после которых устройство остается работо­способным, определяется ускорением (g – 9,8 м/с2), а также временем воздействия.

Стойкость к ударам бывает двух типов: во время работы диска и в выключенном состоянии. Раньше диски были слабо защищены и любой удар приводил к тяжелым по­следствиям. В настоящее время они выдерживают удары не менее 10 g при работе и 100 g в выключенном состоянии. Падение диска на жесткий материал с высоты 10 см равно­значно воздействию в 70 g.

Существуют интересные фирменные технологии защиты. Примером является антиударная система Quantum Shock Protection System (SPS), защищающая диск при транспор­тировке.

Технология SMART. Название этой технологии часто записывают через точки: S.M.A.R.T. Сокращение от английского Self Monitoring Analysis Reporting Technology – самомониторинг и информирование о состоянии диска.

Это технология самоконтроля диска, и содержание ее зак­лючается в том, что на основные компоненты (двигатели, головки, поверхности и т.д.) крепятся датчики. Информа­цию от датчиков постоянно обрабатывают процедуры из firmware-диска. В результате этого в самом диске накаплива­ется и запоминается статистика. При включении компьюте­ра программа из BIOS системной платы или ОС должна про­смотреть статистику и сравнить с заранее установленными пороговыми значениями контролируемых параметров (например, число плохих секторов). Как только контролируе­мый параметр выходит за допустимые пределы, выдается сигнал на дисплей. В результате своевременно и точно вы­даются предупреждение и диагностика, позволяющие при­нять меры (ремонт или замена) и не потерять драгоценные данные.

Технология была разработана компанией Compaq и перво­начально называлась IntelliSafe. В настоящее время извест­на версия SMART II, которая является частью стандарта АТА -2 (EIDE).

Слабостью SMART является ее пассивность – она опове­щает, но не лечит. Поэтому в настоящее время получили распространение фирменные расширения стандарта, позво­ляющие автоматизировать поддержку работоспособности жесткого диска. Примером является технология Data Life­guard компании Western Digital. Через каждые несколько часов работы она тестирует поверхность диска в фоновом режиме и исправляет ошибки, вплоть до переписывания информации в резервный сектор.

Среднее время безотказной работы (Mean Time Between Failure, MTBF) – это среднее время между двумя соседними сбоями. В настоящее время данный пока­затель достигает 300, 400 и 500 тысяч часов, а у лучших моде­лей и 800 тысяч.

Параметр второстепенен для пользователя, так как предпо­лагает, что диск включен постоянно. А такая ситуация бы­вает только на серверах. На самом деле время жизни диска на порядок меньше (около 5 лет), чему способствует операция включения/выключения.

Гарантированное число включений также не имеет особого значения для пользователя, так как их число достаточ­но велико – 40–50 тысяч.

Полезно понимать разницу между сроком гарантии и вре­менем наработки на отказ – жесткий диск вам заменят, но бесценные данные пропадут.

Архитектурные параметры. Число пластин. Винчестер строится обычно на основе 1–4 пластин (реже больше). В принципе, чем меньше пластин при одинаковой емкости устройства, тем лучше: во-первых, выше плотность записи и не надо форсировать число оборотов; во-вторых, меньше деталей, а значит, выше надежность. У современных дисков емкость пластины превысила 2,5 Гбайт.

Размер кэша (Buffer Size). Кэш является аппаратным и выполняется обыч­но на модулях типа DRAM. Иногда называется буфером, но это настоящий кэш со своей таблицей.

Для получения требуемых данных в буфер считывается вся дорожка, где они располагаются, а затем из буфера извлекаются только нужные данные.

Размер кэша обязательно сообщается в торговых предло­жениях. До недавнего времени размер кэша был 128 Кбайт, сейчас используется кэш размером 512 Кбайт, причем для IDE-дисков (раньше – исключительно для SCSI).

Тип головок. В настоящее время для большинства жестких дисков при­меняют головки типа GR, а для более совершенных моде­лей используют головки типа MGR, кото­рые способствуют более высокой плотности записи.

До 80-х годов основа дисков изготавливалась из алюминиевого сплава (с не­большим добавлением магния). По мере возрастания требований к емкости и размерам накопителей в качестве основного материала для дисковых плас­тин стал использоваться композиционный материал из стекла и керамики.

3.7. Компакт-диски