лекция 10

Внутри жесткого диска находятся одна либо несколько круглых пластин, установленных на одной оси. Эти пластины изготовлены из металла или стекла и покрыты с обеих сторон специальным ферримагнитным слоем, на который и производится запись данных. По бокам каждой пластины располагаются магнитные головки для чтения и записи данных. Поскольку на пластины запись можно производить с обеих сторон, каждой из них обычно соответствуют две магнитные головки. Пластины жесткого диска помещены в герметичный блок, воздух в котором очищен от влаги и пыли. Когда жесткий диск работает, его пластины вращаются с большой скоростью, измеряемой тысячами оборотов в секунду, а магнитные головки, расположенные на микроскопическом расстоянии от пластин, считывают и записывают информацию. Управляет вращением пластин и перемещением магнитных головок, контролирует целостность записанных данных и принимает меры по исправлению ошибок во время чтения или случайных дефектов поверхности магнитного слоя контроллер жесткого диска, плата кот орого находится внутри корпуса данного устройства.

Максимальный объем данных, который может храниться на жестком диске, называется его емкостью, или объемом. Диски больших объемов дают пользователю возможность хранить не только самые разные данные, включая коллекции видеофильмов и аудиозаписей, но и устанавливать много прикладных программ. В настоящее время емкость дисков для персональных компьютеров составляет десятки и сотни гигабайтов и продолжает постоянно увеличиваться.

Жесткий диск во многом определяет объем хранимой на компьютере информации, скорость загрузки операционной системы и программ, надежность хранения данных. Поскольку основным предназначением жесткого диска является хранение данных и программ, одной из важнейших его характеристик с точки зрения пользователя является объем. Объемы современных жестких дисков для персональных компьютеров от 40 до 500 Гбайт.

Второй актуальной характеристикой жесткого диска является его производительность, то есть скорость записи и считывания информации. Наибольшее влияние на этот параметр оказывают скорость вращения пластин жесткого диска и его объем. Подавляющее большинство используемых в современных персональных компьютерах жестких дисков имеют скорость вращения 7200 об/мин, хотя встречаются и медленные модели (5400 об/мин), и дорогостоящие скоростные (10 000 и 15 000 об/мин). При увеличении объема жесткого диска производительность возрастает. У дисков большого объема данные размещаются на пластинах более плотно, чем у моделей малого объема, и за один оборот они считывают или записывают значительно больше информации.

Для эффективной работы больших жестких дисков требуется наличие специального буфера для временного хранения данных, считываемых с диска или записываемых на него. Размер буфера существенно влияет на производительность жесткого диска. Наибольшее распространение сейчас получили жесткие диски с объемом буфера от 2 до 16 Мбайт, хотя встречаются и старые модели, в которых буфер имеет намного меньший размер.

Одним из показателей, часто используемых для оценки быстродействия жесткого диска, является среднее время доступа. Оно определяется временным интервалом, в течение которого накопитель находит на пластинах требуемые данные. Для современных накопителей это время обычно составляет несколько миллисекунд.

Жесткий диск подключается к материнской плате посредством специального шлейфа или кабеля, тип которого определяется интерфейсом устанавливаемой модели жесткого диска. В персональных компьютерах могут использоваться жесткие диски с интерфейсами трех основных типов: ATA, Serial ATA (SATA) и SCSI, и все они имеют как преимущества, так и недостатки. Чтобы подключить винчестер с тем или иным

интерфейсом, последний должен поддерживаться материнской платой, в противном случае потребуется установка в системный блок специальной платы контроллера.

В течение продолжительного времени наиболее распространенным оставался параллельный интерфейс ATА. Все жесткие диски с данным интерфейсом оснащаются одинаковыми разъемами для подачи питания и подключения шлейфа, соединяющег о устройство с материнской платой. Однако производителям ЖД стало ясно, что дальнейшее повышение скорости передачи данных интерфейса АТА будет весьма проблематичным, поэтому был разработан новый интерфейс — Serial ATA, или SATA, который в отличие от АТА является не параллельным, а последовательным. При параллельном интерфейсе данные одновременно передаются по нескольким каналам (проводам), а при последовательном — только по одному. Использование интерфейса первого типа, несмотря на кажущееся его преимущество, сопряжено с определенными техническими проблемами, которые ограничивают максимальную скорость передачи данных и длину кабелей.

Новый интерфейс изначально поддерживал скорость передачи данных 150 Кбайт/с, а с появлением версии SATA II доступной оказалась и скорость 300 Мбайт/с. Конструкция интерфейсного разъема и разъема питания у дисков SATA , совершенно другая, нежели у дисков АТА.

Одновременно с АТА развивался и параллельный интерфейс SCSI, последние версии которого позволяют передавать данные со скоростью 160 и 320 Мбайт.

RAID-массивы. С каждым годом растет популярность так называемых RAID - массивов жестких дисков, позволяющих повысить надежность хранения информации или производительность дисковой системы компьютера. Существует много типов RAID, однако в персональных компьютерах используются только простейшие типы таких массивов — RAID 0 и RAID 1, поскольку для их организации требуется сравнительно небольшое количество дисков (два). Организация массива RAID возможна только при поддержке этой технологии материнской платой, либо после установки отдельно приобретаемого RAID-контроллера, который обычно выпускается в виде платы расширения.

Массив типа RAID 0 объединяет два жестких диска в один способом, позволяющим существенно повысить производительность дисковой подсистемы. При этом данные (например, хранящиеся в каком-то файле) равномерно распределяются между двумя физическими дисками, так что операции записи и считывания информации могут производиться параллельно с обоих устройств. Производительность массива RAID 0 почти в два раза выше, чем у отдельно функционирующих дисков. Но у любой медали, как известно, есть и обратная сторона. В нашем случае это проявляется в том, что при выходе из строя одного диска все данные, хранившиеся в массиве, будут утеряны, даже если второй диск останется вполне работоспособным. Если вы храните на компьютере важную информацию, имеет смысл, либо вообще отказаться от использования массива RAID 0, либо установить дополнительный жесткий диск (не входящий в массив) и копировать все ценные данные на него.

Организация массива типа RAID 1 в корне отличается от описанной выше. Массив такого типа создается для повышения надежности хранения данных, поэтому вся информация копируется на оба входящих в его состав диска. Таким образом, один диск является как бы «зеркальным отражением» другого (вследствие чего их нередко называют зеркальными), и в случае выхода из строя какого-либо из них информация не будет утеряна, а компьютер сможет продолжить свою работу. Производительность массива соответствует производительности более медленного диска (если это диски разных моделей), а доступный пользователю объем дискового пространства — объему одного диска (при условии одинакового объема у обоих) или же меньшего из дисков, если их объемы различны. В последнем случае «лишняя» часть большего диска станет

недоступной для пользователя. Как вы понимаете, использовать диски разного объема невыгодно, так как это приводит к большой потере дискового пространства - оно уменьшается более чем в два раза.

Большинство существующих моделей жестких дисков плохо приспособлено для работы в массиве RAID 1, поэтому для его создания лучше использовать соответствующие программные средства. Встроенная поддержка массивов этого типа имеется в операционных системах Windows 2000/XP/2003/Vista.

6.5.2. Оптический привод

Для длительного хранения видео- и аудиозаписей, а также данных других типов в качестве основных съемных носителей используются оптические диски. Все оптические диски можно разделить на две группы:

CD-диски, или компакт-диски (Compact Disk, CD), и

DVD-диски (Digital Video Disk, DVD).

Для чтения и записи таких дисков используются оптические дисководы (приводы) соответствующих типов. Внешне носители CD и DVD практически не отличаются. Они представляют собой диски диаметром 120 или 80 мм, покрытые с одной или обеих сторон прозрачным лаком и имеющие отверстие посередине. Под покрытой лаком поверхностью находится отражающий слой, на котором и хранится информация. Вся информация кодируется посредством чередования участков слоя, обладающих разной отражающей способностью, и записывается на одну непрерывную спиральную дорожку, занимающую всю полезную поверхность диска. Считывание производится с помощью специального лазерного луча небольшой интенсивности, который фокусируется на очень малом участке поверхности диска. По степени отражения луча определяется, какая именно информация записана на этом участке. Запись также осуществляется с помощью лазерного луча, но уже гораздо большей мощности.

Изначально диски CD изготавливались только на специальном оборудовании в фабричных условиях. Они назывались CD-ROM, вмещали до 650 Мбайт данных и предназначались только для чтения в соответствующих приводах. Запись на такие диски можно было производить всего один раз. Однако со временем были созданы диски («болванки»), позволяющие записывать данные в домашних условиях, — сначала это можно было сделать только один раз, а затем появилась и возможность многократной записи. Такие стандарты получили соответственно названия CD-R (записываемый компакт-диск) и CD-RW (перезаписываемый компакт-диск). Теперь на них можно хранить до 800 Мбайт данных. Приводы, способные производить запись компакт-дисков, называются CD-RW.

Диски DVD и приводы, работающие с ними, появились гораздо позже. Сначала эти диски использовались исключительно для хранения и просмотра видеофильмов, однако сейчас они широко применяются для данных любого типа. Преимущество DVD -дисков заключается в их большем объеме; кроме того, в отличие от компакт-дисков, они могут быть двухсторонними. (Чтобы воспользоваться второй стороной диска, его нужно вынуть и, перевернув, вставить обратно.) Стандартный односторонний диск DVD вмещает до 4,7 Гбайт данных, благодаря чему на него можно записать видеоматериал высокого качества продолжительностью до 135 мин. Полная емкость двухстороннего DVD-диска ровно в два раза больше и составляет 9,4 Гбайт. Существуют также двухслойные диски DVD, на одну сторону которых можно записать около 8,54 Гбайт данных. На каждой стороне такого диска располагается сразу два отражающих слоя: верхний - полупрозрачный и нижний - непрозрачный. С какого слоя будет считываться информация, определяется фокусировкой лазерного луча.

Типы приводов. Можно выделить пять основных типов оптических дисководов.

CD-ROM. Приводы, способные считывать диски следующих форматов: CD-R, CDROM, CD-RW. Стоимость оптических дисководов этого типа является самой низкой, однако отсутствие функций записи и поддержка только CD-дисков делают их не самым лучшим выбором для современного компьютера.

CD-RW. Дисководы, которые могут не только читать перечисленные выше разновидности CD-дисков, но и записывать диски CD-R и CD-RW.

DVD-ROM. Помимо CD-дисков, эти приводы считывают также и DVD-диски различных форматов: DVD-ROM, DVD-R, DVD-RW, DVD+R, DVD+RW, DVD-RAM, DVD+R DL. Правда, это относится только к последним моделям приводов. Более ранние поддерживали далеко не все указанные форматы, а иногда даже плохо справлялись с чтением дисков CD-RW и CD-R. Функции записи дисков у них вообще отсутствуют.

DVD/CD-RW (Combo). Способны считывать оптические диски тех же форматов, что и приводы DVD-ROM, и записывать те же форматы, что и приводы CD-RW, вследствие чего их часто называют комбо-приводами (то есть комбинированными приводами). Поддерживаемые форматы чтения дисков DVD зависят от конкретной модели устройства.

DVD+RW/DVD-RW. Могут производить запись и чтение как дисков DVD, так и дисков CD. Это наиболее универсальный тип оптических приводов из всех перечисленных. Приведенное название «DVD+RW/DVD-RW» хотя и часто используется, но является довольно условными, так как DVD+RW и DVD-RW — это лишь два из множества форматов, запись которых поддерживается приводами указанного типа. Поддержка тех или иных форматов также зависит от конкретной модели, хотя последние устройства модельного ряда почти всегда характеризуются поддержкой всех форматов, получивших распространение на момент их выпуска.

Поддержка форматов. Если говорить о приводах CD, то основных форматов существует всего три (CD-ROM, CD-R, CD-RW) и они практически не имеют проблем с чтением. Совсем другая ситуация сложилась с DVD-приводами, так как различных форматов, которые они могут поддерживать, намного больше. К трем форматам CD - дисков, прибавляются не менее восьми форматов DVD-дисков: DVD-ROM, DVD-R, DVD+R, DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM, DVD-R DL, DVD+R DL.

Несмотря на довольно высокую вместимость существующих дисков DVD, производители, не желая останавливаться на достигнутом, ведут активную работу по созданию еще более емких оптических носителей. Наиболее перспективными из разрабатываемых форматов являются Blu-Ray и HD-DVD. Предполагается, что однослойный односторонний диск Blu-Ray будет вмещать до 25 Гбайт информации, а аналогичный диск HD-DVD — до 15 Гбайт.

Интерфейс. Большая часть представленных на рынке моделей оптических дисководов имеет интерфейс ATА.

Внешние дисководы. При необходимости, можно использовать внешние оптические приводы или специальные боксы для подключения внутренних дисководов. Такие устройства можно по очереди подключать к разным компьютерам и часто они являются практически единственным решением для портативных ПК. Отметим лишь, что в качестве внешних целесообразнее всего использовать пишущие приводы, дающие возможность переносить информацию с одного компьютера на другой.

6.5.3. Дисковод для дискет

Дисководы для гибких магнитных дисков, то есть дискет, — это единственный тип запоминающих устройств, которыми были оснащены первые персональные компьютеры.

Дискета устроена следующим образом. В жесткий пластиковый конверт помещен гибкий диск, представляющий собой пластину, на которую с обеих сторон нанесен ферромагнитный слой для хранения информации. Конверт имеет специальное отверстие, позволяющее считывать данные с поверхности пластины. При извлечении дискеты из дисковода это отверстие автоматически закрывается задвижкой, предохраняющей поверхность пластины от повреждений. Скорость вращения дискеты в дисководе невысока, поэтому процесс записи и чтения дискет происходит довольно медленно. Считывают и записывают информацию магнитные головки, распложенные с обеих сторон от дискеты и соприкасающиеся с поверхностью ее пластины. Наибольшее распространение в настоящее время получили 3,5-дюймовые дискеты емкостью 1,44 Мбайт. Такая емкость, по сравнению с емкостью других современ ных носителей информации, очень мала, однако дискеты продолжают использовать для временного хранения небольших документов и программ, вследствие чего большинство компьютеров все еще оснащаются соответствующими дисководами.

6.6. Принцип открытой архитектуры и дальнейшая эволюция

Под архитектурой ВМ в узком смысле обычно понимают логическое построение ВМ, т.е. то, как ее видит программист. Имеется ввиду формы представления данных, перечень и формат команд, способы адресации памяти и т. д. А вопросы физического построения: состав устройств, число регистров процессора, емкость памяти, тактовая частота, принято определять понятием организации или структурной организации. Архитектура и организация – это две стороны описания ВС. И это можно назвать архитектурой в широком смысле.

Принцип открытой архитектуры заключается в том, что технические характеристики, информационные и вычислительные возможности ЭВМ можно улучшать, дополняя существующую конструкцию новыми узлами, заменяя прежние узлы более совершенными, вводя в машину новые программы. Впервые этот принцип был предложен и реализован фирмой IBM в персональных компьютерах, которые получили широчайшую известность под общим названием IBM PC (ай-би-эм пи-си).

Если бы IBM PC был сделан по тому же принципу, что и другие существовавшие во время его появления компьютеры, он бы быстро устарел, и ему на смену пришли бы другие ЭВМ. Но уже при создании IBM PC была заложена возможность усовершенствования его отдельных частей и использования новых устройств. Фирма IBM не сделала компьютер единым неразъемным устройством (как первый «яблочный» компьютер), а предусмотрела возможность его сборки из независимо изготовленных частей аналогично детскому конструктору. При этом методы совместного использования других устройств с компьютером IBM PC не только не держались в секрете, но и были доступны всем желающим. Принцип открытой архитектуры наряду с другими достоинствами обеспечил выдающийся успех компьютеру IBM PC. При этом фирма IBM лишилась возможности единолично пользоваться плодами этого успеха, подключив к процессу создания персональных компьютеров множество других фирм.

Фирма IBM стремилась к популярности своего компьютера и рассчитывала, что открытость архитектуры IBM PC позволит независимым производителям разрабатывать различные дополнительные устройства, что увеличит эту популярность. Расчет оказался верным, и уже через пару лет на рынке предлагались сотни разных устройств и комплектующих для IBM PC.

Наибольшую выгоду от открытости архитектуры IBM PC получили миллионы пользователей. Они смогли самостоятельно расширять возможности своих компьютеров, покупая соответствующие устройства и подсоединяя их через свободные разъемы на системной плате. При этом пользователи не были связаны ассортиментом моделей, предлагаемых фирмой IBM, так как могли покупать дополнительные устройства, производимые другими фирмами. Они могли экономить деньги, ориентируясь при покупке компьютеров на свои сегодняшние, а не на будущие потребности, поскольку при необходимости компьютер можно модернизировать.

Многие пользователи последовательно улучшали характеристики своих компьютеров, заменяя системную плату с микропроцессором по мере появления на рынке новой модели. Таким образом, 286-й компьютер становился 386-м, а затем и 486-м. Сам корпус системного блока оставался прежним, но в него можно было добавлять новые дисководы, а на системной плате можно было увеличивать объем оперативной памяти, вставляя в разъемы дополнительные микросхемы.

Дополняя компьютер новыми устройствами, порой надо вставлять в разъемы на системной плате соответствующие этим устройствам электронные платы и записывать на жесткий диск необходимые управляющие программы — драйверы.

Принцип открытой архитектуры может быть реализован лишь при условии строгого выполнения целого ряда правил, которые получили общее название протоколы.

процессоров элементы транзисторов имеют размер 65 нанометров, что в 1000 раз тоньше человеческого волоса. В в 2010ом будет выпущен новый процессор Nehalem по 32 нмой технологии. AMD не отстает от своего основного конкурента, разница лишь в технологии литографии (впечатывания элементов в материал подложки).

Мощный серверный процессор состоит из более, чем млрд. транзисторов. Сегодня

впроцессорах обработкой данных занимается 1% транзисторов, остальные используются

вкачестве встроенной памятидля передачи данных и контрольных функций.

Впоследнее время наметился разрыв в производительности между процессором и памятью растет 50% в год. Высокая скорость работы процессоров уже давно находится в противоречии с относительной медлительностью ЗУ основной памяти.

Основные направления исследований в области архитектуры ЭВМ можно разделить на две группы: эволюционные и революционные. К первой группе относят исследования, связанные с совершенствованием архитектуры микропроцессоров. Основные идеи , лежащие в основе современных МП, были выдвинуты много лет назад, но из-за несовершенства технологии и высокой стоимости реализации нашли применение только в суперЭВМ. Наиболее существенные из изменений в архитектуре МП связаны с повышением уровня параллелизма на уровне команд (возможности одновременного выполнения нескольких команд). Это конвейеризация и увеличение длины команд. Сегодняшние достижения в области ВТ обусловлены именно эволюционными изменениями, уже сейчас очевидно, что оставаясь в рамках традиционных архитектур, мы скоро натолкнемся на технологические ограничения.

Прототип Crossbar, пригодный для будущего, предложен компанией HP - транзисторы и связи между ними заменит тонкая решетка. Узлы этой решетки будут свободно программироваться. Они тоже смогут образовывать логические схемы или ячейки памяти.

Идет поиск новых полупроводников, это направление связано с гибридными системами (кремний в комбинации с другими материалами). Уже выращивают на чипах углеродные структуры, и пытаются соединить полупроводники с живыми клетками.

Лекция 7. Перспективы развития ВТ

Вопросы:

1.Параллельные вычисления

7.1.Параллельные вычисления

ЭВМ возникли как инструмент последовательных вычислений. Для последовательных машин довольно рано стали создаваться машинно-независимые языки программирования. Для математиков и разработчиков прикладного программного обеспечения появление таких языков открывало заманчивую перспективу. Не нужно было вникать в устройство вычислительных машин, так как языки программирования по существу мало чем отличались от языка математических описаний. Скорость реализации алгоритмов на последовательных машинах определялась, главным образом, числом выполняемых операций и почти не зависела от того, как внутренне устроены сами алгоритмы. Поэтому в разработке алгоритмов главным было - минимизировать числа выполняемых операций и устойчивость к влиянию ошибок округления. Никакие другие сведения об алгоритмах были просто не нужны для эффективного решения задач на последовательной технике.

Все это на долгие годы определило основное направление развития не только численных методов, но и всей вычислительной математики. На фоне недостаточного внимания к развитию ВТ математиками не было вовремя замечено важное обстоятельство: количественные изменения в технике переходят уже в такие качественные, что общение с ней при помощи последовательных языков скоро должно стать невозможным. Это привело к серьезному разрыву между имеющимися знаниями в области алгоритмов и теми знаниями, которые необходимы для быстрого решения задач на современных компьютерах. Образовавшийся разрыв лежит в основе многих трудностей практического освоения современных вычислительных систем параллельной архитектуры.

Сегодня мир больших вычислений стал параллельным. На вычислительных системах параллельной архитектуры время решения задач принципиально зависит от того, какова внутренняя структура алгоритма и в каком порядке выполняются его операции. Возможность ускоренной реализации на параллельных системах достигается за счет того, что в них имеется достаточно большое число функциональных устройств, которые могут одновременно выполнять какие-то операции алгоритма. Но чтобы использовать эту возможность, необходимо получить новые сведения относительно структуры алгоритма на уровне связей между отдельными операциями. Более того, эти сведения нужно согласовывать со сведениями об архитектуре вычислительной системы.

Параллельные вычисления — такой способ организации компьютерных

вычислений, при котором программы разрабатываются как набор взаимодействующих вычислительных процессов, работающих параллельно. Параллелизм возможно реализовать как программно, так и аппаратно.

Идея распараллеливания вычислений основана на том, что большинство задач может быть разделено на более мелкие, которые могут решаться одновременно. Обычно