Периферийные устройства (стр. 5 )

Скорость передачи данных (пропускная способность) - определяет скорость, с которой данные считываются или записываются на диск после того, как головки займут необходимое положение. Различают две разновидности скорости передачи - внешняя и внутренняя.

Внешняя скорость передачи данных - с какой скоростью данные считываются из буфера, расположенного на накопителе в оперативную память компьютера.

Внутренняя скорость передачи данных - скорость передачи данных между головками и контроллером накопителя и определяет общую скорость передачи данных в тех случаях, когда буфер не используется или не влияет (когда загружается большой графический или видеофайл). Внутренняя скорость передачи данных очень зависит от частоты вращения шпинделя.

Размер кеш-буфера контроллера. Встроенный в накопитель буфер выполняет функцию упреждающего кэширования и призван сгладить большую разницу в быстродействии между дисковой и оперативной памятью компьютера. Выпускаются накопители с 128, 256 и 512 килобайтным буфером.

Средняя потребляемая мощность. Современные накопители на ЖМД потребляют от 5 до 15 Ватт.

Среднее время наработки на отказ - определяет сколько времени способен проработать накопитель без сбоев. Они приводят обычно среднюю условную наработку на отказ (расчетная статистическая величина).

Физический объем накопителей. Физический объем жестких дисков определен изначально и состоит из объема, занятого служебной информацией (разметка диска на дорожки и сектора) и объема, доступного пользовательским данным. Физический объем жесткого диска, также, зависит от типа интерфейса, метода кодирования данных, используемого физического формата и др.

Физическое хранение, методы кодирования информации. Вся информация и места ее хранения делятся на служебную и пользовательскую информацию. Служебная и пользовательская информация хранится в областях дорожек называемых секторами.

Методы кодирования данных.

Частотная модуляция (Frequency Modulation - FM) - метод, используемый в накопителях на сменных магнитных дисках (кодирование методом FM назвают кодирование с единичной плотностью).

Модифицированная частотная модуляция (Modified Frequency Modulation - MFM) - улучшенный метод FM.

Запись с групповым кодированием (Run Limited Length - RLL) - метод, полностью исключающий запись на диск каких-либо синхронизационных бит.

Модифицированная запись с групповым кодированием (Advanced Run Limited Length – ARLL) – улучшенный метод RLL, в котором, наряду с логическим уплотнением данных, производится повышение частоты обмена между контроллером и накопителем.

Интерфейсы жестких дисков.

В 80-х годах фирма IBM выпустила компьютер спецификации AT (Advanced Technology — передовая технология). Интерфейс появился в результате создания устройств со встроенным контроллером - IDE (Integrated Device Electronic).

Винчестер был подсоединен к 16-битной шине ISA и управлялся собственным контроллером.

Согласованный стандарт на такой интерфейс получил название ATA (AT Attachment — подключение к AT).

В спецификации ATA фигурируют следующие компоненты:

хост - адаптер - средства сопряжения интерфейса ATA с системной шиной (в простейшем случае - набор буферных схем между шинами ISA и ATA) - хостом будем называть компьютер с хост-адаптером интерфейса ATA; кабель-шлейф с двумя или тремя 40-контактными IDC-разъемами (рисунок 8.9). В стандартном кабеле одноименные контакты всех разъемов соединяются вместе; ведущее устройство (Master) - периферийное устройство, в спецификации ATA официально называемое Device-0 (устройство-0); ведомое устройство (Slave) - периферийное устройство, в спецификации официально называемое Device-1 (устройство-1).

Если к шине ATA подключено одно устройство, оно должно быть ведущим. Если подключены два устройства, одно должно быть ведущим, другое - ведомым.

Для подключения устройств IDE существует несколько разновидностей интерфейса:

ATA (AT Attachment), он же AT-BUS - 16-битный интерфейс подключения к шине компьютера AT (40-проводной сигнальный и 4-проводной питающий интерфейс, для миниатюрных (2,5" и меньших) накопителей используют 44-проводной кабель, по которому передается и питание). PC Card ATA - 16-битный интерфейс с 68-контактным разъемом PC Card (PCMCIA) для подключения к блокнотным ПК. XT IDE (8-бит), он же XT-BUS - 40-проводной интерфейс, похожий на ATA, но несовместимый с ним. MCA IDE (16-бит) - 72-проводный интерфейс, предназначенный специально для шины и накопителей PS/2.   ATA-2 - расширенная спецификация ATA, объем диска до 8 Гбайт. Режим обмена данными - блоками Интерфейс остается 16-битным. Fast ATА. Отличается от АТА-2 отсутствием быстрых режимов обмена (РIO4 и MW2 DMA). Fast ATA-2 разрешает использовать Multiword DMA Mode 2 (13,3 Mбайт/с), не отличается от стандарта АТА-2. Отличия в том, что создан хост-адаптер Dual IDE/ATА, позволяющий использовать до четырех устройств. ATA-3 - расширение ATA-2. Включает средства парольной защиты, улучшенного управления питанием, самотестирования с предупреждением приближения отказа. По режимам обмена данными АТА-3 полностью соответствует АТА-2. ATA/ATAPI-ATAPI-4 - расширение ATA-3, включающее режим Ultra DMA со скоростью обмена до 33 Мбайт/с и пакетный интерфейс ATAPI. Жесткие диски ATA/ATAPI-4 выпускались под обозначением Ultra АТА-33. Стандарт ATA/ATAPI-5. Протокол Ultra АТА-66 нового стандарта оговаривал режим передачи данных со скоростью до 66 Мбайт/с (спецификация Ultra DMA mode 4). Для подключения дисков используют шлейфы (с чередованием сигнальных проводников и линий, замкнутых на «землю»), имеющие 80 проводников, совместимые с существующими 40-контактными разъемами IDE.         Спецификация АТА/ATAPI-6, определяет требования к жестким дискам и интерфейсу с пиковой пропускной способностью до 100 Мбайт/с (режим Ultra DMA mode 5). Жесткие диски с интерфейсом АТА/ATAPI-6 обозначаются как ATА-100. Возможности дальнейшего совершенствования параллельного интерфейса IDE, несмотря на появление жестких дисков UltraATA-133 (пропускная способность 133 Мбайт/с в режиме UltraDMA Mode 5, объем накопителя в параллельном АТА ограничен 137 Гбайтами) практически исчерпаны. E-IDE (Enhanced IDE) - расширенный интерфейс, введенный фирмой Western Digital. Реализуется в адаптерах для шин PCI и VLB, позволяющий подключать до 4 устройств (к двум каналам), включая CD-ROM и стриммеры (ATAPI). Поддерживает PIO Mode 3, multiword DMA mode 1, объем диска до 8 Гбайт, LBA и CHS. С аппаратной точки зрения практически полностью соответствует спецификации ATA-2.

Протоколы обмена данными  пополнились новыми стандартами: режимом Ultra DMA mode 2 и режимом коррекции ошибок по контрольной сумме (CRC — Cyclic Redundancy Check). Кроме того, появились многозадачные режимы, то есть режимы параллельного выполнения команд и создания очередей двумя устройствами на одном канале IDE.

Для устойчивой работы в режиме Ultra DMA рекомендуется применение 80-проводных кабелей, обеспечивающих чередование сигнальных цепей и проводов схемной земли (GND). На 80-проводном кабеле в разъеме для подключения контроллера контакт 34 соединен с шиной GND и не соединен с проводом шлейфа;  этим обеспечивается идентификация типа кабеля.  Спецификация АТА узаконивает так же 4-контактный разъем питания (рисунок 1.27).

а)                         б)

а - интерфейсный;

б - питания.

Рисунок 1.27 - Разъемы интерфейса АТА (вилки на устройствах) 

Спецификация на Serial ATA. Отличие нового интерфейса состоит в  последовательном способе обмена данными. Данные передаются по восьмижильному кабелю, уровень сигналов составляет 3,3 В. Реализация интерфейса позволяет достичь пиковой пропускной способности 1,5 Гбит/с (примерно 187 Мбайт/с).

Последовательный интерфейс ATA, как и  параллельный АТА, пред­назначен для подключений устройств внутри компьютера. Длина кабелей не превы­шает 1 м, при этом все соединения радиальные, каждое устройство подключается к хост-адаптеру своим кабелем.

Интерфейс SCSI является универсальным и определяет шину данных между центральным процессором и несколькими внешними устройствами, имеющими свой контроллер.

Сегодня применяются в основном два стандарта - SCSI-2 и Ultra SCSI. В режиме Fast SCSI-2 скорость передачи данных доходит до 10 мегабайт в секунду при использовании 8-разрядной шины и до 20 мегабайт при 16-разрядной шине Fast Wide SCSI-2. Стандарт Ultra SCSI отличается большей производительностью - 20 мегабайт в секунду для 8-разрядной шины и 40 мегабайт для 16-разрядной. В новейшем SCSI-3 увеличен набор команд, но быстродействие осталось на том же уровне. Все применяющиеся сегодня стандарты совместимы с предыдущими версиями сверху - вниз, то есть к адаптерам SCSI-2 и Ultra SCSI можно подключить старые SCSI-устройства. Интерфейс SCSI-Wide, SCSI-2, SCSI-3 - стандарты модификации интерфейса SCSI, разработаны комитетом ANSI. Общая концепция усовершенствований направлена на увеличение ширины шины до 32-х, с увеличением длинны соединительного кабеля и максимальной скорости передачи данных с сохранением совместимости с SCSI.

Работа накопителя.  Процесс работы накопителя от запуска до остановки. При подаче питающих напряжений начинает работать микропроцессор контроллера. Вначале он, как и компьютер, выполняет самотестирование и в случае его успеха запускает схему управления двигателем вращения шпинделя. Диски начинают раскручиваться, увлекая за собой прилегающие к поверхностям слои воздуха, и при достижении некоторой скорости давление набегающего на головки потока воздуха преодолевает силу пружин, прижимающих их к дискам, и головки всплывают, поднимаясь над дисками на доли микрона. С этого момента, вплоть до остановки дисков, головки не касаются дисков и парят над поверхностями, поэтому ни диски, ни сами головки практически не изнашиваются. Тем временем, двигатель шпинделя продолжает раскручивать поверхности. Его скорость постепенно приближается к номинальной (тысячи оборотов в минуту). В это время накопитель потребляет максимум питающего напряжения и создает предельную нагрузку на блок питания компьютера по напряжению 12 Вольт. Поскольку в любой зоне дисков присутствует серворазметка, то сервоимпульсы начинают поступать с головок сразу же после начала вращения, и по их частоте контроллер судит о скорости вращения дисков. Система стабилизации вращения следит за потоком сервоимпульсов, и при достижении номинальной скорости происходит так называемый захват, при котором любое отклонение скорости вращения сразу же корректируется изменением тока в обмотках двигателя. После достижения шпинделем номинальной скорости вращения освобождается фиксатор позиционера головок чтения/записи, и система его управления проверяет способность поворачиваться и удерживаться на выбранной дорожке путем выборочного произвольного позиционирования. При этом делается серия быстрых поворотов в разные стороны, что на слух выглядит как характерное тарахтение, слышимое через несколько секунд после старта. Во время перемещения позиционера головок происходит слежение за поступающими с головок серво-импульсами, и система управления всегда знает, над сколькими дорожками прошли головки. Аналогично происходит и удержание головок над выбранной дорожкой - при отклонении от центра дорожки изменяется во времени величина и форма серво-импульсов. Система управления может ликвидировать отклонение, изменяя ток в обмотках двигателя позиционера головок. Во время тестирования привода головок заодно делается и его калибровка - подбор параметров управляющих сигналов для наиболее быстрого и точного перемещения позиционера при минимальном количестве промахов. Здесь нужно сказать, что микрокомпьютер ЖД, как и компьютер, имеет ПЗУ, в котором записана BIOS накопителя - набор программ для начального запуска и управления во время работы, и ОЗУ, в которое после раскрутки механической системы загружаются остальные части управляющих программ. Кроме всего прочего, в ОЗУ загружается так называемая карта переназначения дефектных секторов, в которой отмечены дефектные секторы, выявленные при заводской разметке дисков. Эти секторы исключаются из работы и иногда подменяются резервными, которые имеются на каждой дорожке и в специальных резервных зонах каждого диска. Таким образом, даже если диски и имеют дефекты (а при современной плотности записи и массовом производстве поверхностей носителей они имеют их всегда), для пользователя создается впечатление чистого диска, свободного от сбойных секторов. Более того - на каждом диске накопителя имеется некоторый запас резервных секторов, которыми можно подменить и появляющиеся впоследствии дефекты. Для одних накопителей это возможно сделать под управлением специальных программ, для других - автоматически в процессе работы.