Дипломна робота

зовні являє собою міцний металевий корпус. Він абсолютно герметичний і захищає дисковод від часточок пилу, які, потрапивши у вузький зазор між головкою й поверхнею диска, можуть пошкодити чутливий магнітний шар і вивести диск із ладу. Крім того,

корпус екранує накопичувач від електромагнітних перешкод. Усередині корпуса знаходяться всі механізми і деякі електронні вузли.

Дискце кругла металева пластина з дуже рівною поверхнею, вкрита тонким феромагнітним шаром. У багатьох накопичувачах використовується шар оксиду заліза

(яким вкривається звичайна магнітна стрічка), але новітні моделі жорстких дисків працюють із шаром кобальту завтовшки приблизно в десять мікронів. Таке покриття більш міцне і, крім того, дозволяє значно збільшити щільність запису. Технологія його нанесення близька до тієї, що використовується при виробництві інтегральних мікросхем. Кількість дисків може бути різною — від одного до п'яти, кількість робочих поверхонь, відповідно, удвічі більшою (по дві на кожному диску). Останнє (як і матеріал,

використаний для магнітного покриття) визначає об’єм жорсткого диска. Іноді зовнішні поверхні крайніх дисків (або одного з них) не використовуються, що дозволяє зменшити висоту накопичувача, але при цьому кількість робочих поверхонь зменшується й може виявитися непарною. Магнітні головки зчитують і записують інформацію на диски.

Принцип запису загалом схожий на той, що використовується у звичайному магнітофоні.

Цифрова інформація перетворюється на змінний електричний струм, що надходить на магнітну головку, а потім передається на магнітний диск, але вже у вигляді магнітного поля, яке диск може сприйняти і «запам'ятати».

Магнітне покриття диска являє собою безліч дрібних областей довільної намагніченості. Цей диск вкритий шаром дуже маленьких стрілок від компаса,

спрямованих у різні сторони. Такі частинки-стрілки називаються доменами. Під впливом зовнішнього магнітного поля власні магнітні поля доменів орієнтуються відповідно до його напрямку. Після припинення дії зовнішнього поля на поверхні диска утворюються зони 1 залишкової намагніченості. У такий спосіб зберігається записана на диск інформація. Ділянки залишкової намагніченості, опинившись при обертанні диска і напроти зазору магнітної головки, викликають у ній електрорушійну силу, яка змінюється в залежності від величини намагніченості. Пакет дисків, змонтований на осі-

22

шпинделі, рухається спеціальним двигуном, компактно розташованим під ним.

Швидкість обертання дисків, як правило, складає 5400 об/хв, хоча існують диски і з швидкістю обертання 7200, 10000 і навіть 15000 об/хв. Для того щоб скоротити час виходу накопичувача в робочий стан, двигун при вмиканні якийсь час працює у форсованому режимі. Тому джерело живлення комп'ютера повинно мати запас пікової потужності.

Тепер про роботу головок. Вони переміщаються за допомогою прецизійного крокового двигуна і ніби «пливуть» на відстані в частки мікрона від поверхні диска, не торкаючись його. На поверхні дисків у результаті запису інформації утворюються намагнічені ділянки, у формі концентричних кіл. Вони називаються магнітними доріжками. Переміщаючись, головки зупиняються над кожною наступною доріжкою.

Сукупність доріжок, розташованих одна під одною на всіх поверхнях, називають циліндром. Усі головки накопичувача перемішуються одночасно, здійснюючи доступ до однойменних циліндрів з однаковими номерами. Для того щоб обмінюватися даними з комп'ютером, жорсткий диск підключений кабелями управління, за допомогою яких передаються команди диску й дані. Розглянемо різні інтерфейси підключення жорстких дисків:

IDE (Integrated Drive Electronics) — це назва типу жорстких дисків, шо мають інтерфейс ATA (AT Attachment). Дешева електроніка IDE у поєднанні з паралельною передачею даних АТА дозволяє виробляти жорсткі диски, ціна яких не надто висока.

Проте не слід забувати, що АТА не призначений для зовнішніх підключень і не підтримує кабелів завдовжки більше 60 см. Один канал АТА може підтримувати до двох дисків,

первинний — master, вторинний — slave. Дуже часто ставлять на один канал жорсткий диск як master й інший, повільніший пристрій, типу CD-ROM, як slave. Але оскільки IDE

може звертатися тільки до одного пристрою на каналі одночасно, то знижується продуктивність системи загалом. Так що краще не мати slave-пристроїв у принципі. Тим більше, що зараз усі материнські плати мають два інтегровані канали IDE, а деякі три і навіть чотири. Якщо є можливість, то краше підключати жорсткий диск як master на перший канал, a DVD або CD-ROM — як master на другий канал.

23

Сьогодні на ринку присутні чотири основні стандарти IDE-дисків: АТА/33, АТА/66,

АТА/100. У цьому випадку число показує максимальну пропускну здатність у мегабайтах у секунду. Для АТА/66 і АТА/100 потрібен спеціальний gO-контактний кабель, а зі стандартним 40-контактним АТА/66/100 диск буде працювати, як АТА/33. Як правило,

такий кабель іде в комплекті з усіма материнськими платами, що підтримують АТА/66/100. Ці три стандарти називають одним словом — UDMA. Хоча іноді й вживають

UDMA, АТА і IDE як взаємозамінні поняття, але це неправильно. Усі IDE-диски повинні працювати з усіма варіантами АТА. Диск АТА/100 повинен прекрасно функціонувати з контролером АТА/33, а диск АТА/33 повинен так само прекрасно працювати з контролером АТА/100. Але працювати вінчестер буде на швидкості найповільнішого компонента. В обох наведених випадках це буде швидкість АТА/33, тобто максимальна пропускна здатність дорівнюватиме 33 МБ/с. Іноді можуть виникнути певні несумісності,

наприклад, коли конкретний диск не бажає працювати з конкретним кабелем або два диски від різних виробників не бажають співіснувати на одному каналі контролера.

Насправді різниця в продуктивності між АТА/33,66 і 100 не така вже й велика, тому що йдеться про пікову пропускну здатність, яка під час реальної роботи досягається дуже рідко Поки не існує дисків АТА/100, що забезпечують передачу даних навіть у 66 МБ/с, і

лише деякі моделі досягли планки в 33 МБ/с. Тільки кеш-пам'ять жорсткого диска може скористатися перевагами підвищеної пропускної здатності. Але для цього розмір кеша повинен бути досить великим. А більшість IDE-дисків має всього 512 КБ кеш-пам'яті, і

тільки деякі, найдорожчі, можуть похвалитися кешем у 2 або навіть 4 МБ. Так що головним недоліком IDE, як і раніше, залишається мала швидкість. Звичайно, сучасні

IDE-диски наздогнали за швидкісними характеристиками старі моделі SCSI-дисків, але з новими SCSI-вінчестерами їм все одно не зрівнятися. Можна придбати досить швидкий

IDE-диск зі швидкістю обертання 7200 обертів на хвилину, але можна купити і SCSI-

привод зі швидкістю 15, 000rpm, який буде більш швидким. Крім того, час напрацювання на відмову, що заявляється виробниками, у IDE-дисків набагато менший, ніж у SCSI-

дисків. Можливо, це просто маркетингові заходи, але розповсюджена думка, що SCSI-

пристрої надійніші, ніж IDE. Serial ATA має кабель усього з двома контактами (один на прийом, один на передачу) і повинен забезпечити IDE пропускну здатність до 1.5 ГБ/с, а

24

можливо, і більше. Це вдвічі перекриває пропускну здатність АТА/100, у якого контактів у 40 разів більше. Єдиною негативною стороною Serial ATA є те, що на одному каналі може бути тільки один пристрій, але при наявності контролера з декількома каналами це не проблема. MBR є основним засобом завантаження з жорсткого диска, що підтримується BIOS і тільки один із розділів диска мас право бути позначеним як активний, Що означатиме, що програма завантаження повинна завантажити в пам'ять перший сектор саме цього розділу і передати туди управління. Програма завантаження переглядає таблицю розділів, вибирає з них активний, і завантажує перший блок цього розділу потім передає туди управління. Розглянемо, як операційні системи класу MS-DOS

і Windows 9x оперують із розділами. ОС забирає у своє користування два з чотирьох розділів: Primary DOS partition, Extended DOS partition. Перший з них (primary) одержує букву С Другий — це контейнер логічних дисків. Вони усі знаходяться там у вигляді ланцюжка підрозділів, які так і іменуються: D:, Е: і т. д. Логічні диски можуть мати і сторонні файлові системи, відмінні від файлової системи FAT. яка застосовується в

DOS/Windows9x. Однак, як правило, сторонність файлової системи пов'язана з присутністю ще однієї операційної системи, яку, варто було б помістити у свій власний розділ (не extended DOS), але для таких дій часто виявляється занадто маленькою таблиця розділів. Коли на чистий жорсткий диск установлюється DOS/Windows 9х, то при завантаженні немає ніяких альтернатив у виборі операційних систем. Тому завантажувач виглядає досить примітивно, йому не треба запитувати в користувача, яку систему той хоче завантажити. З бажанням мати відразу кілька систем виникає необхідність заводити програму, яка дозволяє вибирати систему для завантаження. В

операційних системах Windows NT/2000/XP завантажувач міститься в зaвантажувальному записі активного розділу. У завантажувачі передбачена можливість вибору як завантажувальної операційної системи, так і розділу, де вона знаходиться. За розділами в операційній системі також закріплюються певні букви, однак вони можуть бути змінені користувачем.

Принцип роботи магнітних запам’ятовуючих пристроїв грунтується на способах зберігання інформації з використанням магнітних властивостей матеріалів. Загальна технологія магнітних запам’ятовуючих пристроїв полягає в намагнічуванні змінним

25

магнітним полем ділянок носія і зчитування інформації, закодованої як області змінної намагніченості. Дискові носії, як правило, намагнічуються вздовж концентричних полів – доріжок, розташованих на всій поверхні носія, що обертається. Запис проводиться в цифрових кодах. Намагнічування досягається за рахунок створення змінного магнітного поля за допомогою головок читання запису. Головки представляють собою два чи більше магнітних керованих контури із сердечниками, на обмотки яких подається змінна напруга. Зміна величини напруги викликає зміну напрямку ліній магнітної індукції магнітного поля і, при намагнічуванні носія, означає зміну значення біта інформації з 1

на 0 чи з 0 на 1. Принцип запису і зчитування оптичних, виконаний по лазерній технології, тому ці диски ще називають лазерними. Закодована інформація наноситься на диск лазерним променем, який створює на його поверхні мікроскопічні западини, що розділяються плоскими ділянками. Доріжка, по якій проведено запис має вигляд спіралі і вона всього одна. Цифрова інформація представляється чергуванням западин

(невідбиваючих плям) і відбиваючих світло острівців. Зчитування інформації з оптичного диска відбувається за допомогою лазерного променя. Лазерний диск має пластикову основу з алюмінієвим покриттям, що відбиває промінь лазера при зчитуванні.

Потрапляючи на відбиваючий світло острівець, промінь відхиляється на фотодетектор,

що інтерпретує його як двійкову одиницю. Промінь лазера, що потрапляє у западину,

розсіюється і поглинається – фотодетектор фіксує двійковий нуль. Час доступу до даних на лазерному диску значно менший, ніж для магнітних дисків. Це дозволяє розробникам постійно збільшувати швидкість обертання дисків.

Флеш пам'ять — це тип пам'яті, яка може на довготривалий час зберігати певну інформацію на своїй платі, зовсім не використовуючи живлення. В додаток можна сказати, що флеш пам'ять пропонує високу швидкість доступу до інформації (хоча вона не настільки висока як у DRAM) і кращий опір до кінетичного шоку, ніж у вінчестерах.

Ці характеристики пояснюють популярність флеш пам'яті для приладів, що залежать від батарейок. Іншою приманкою флеш пам'яті є те, що коли вона скомпресована в суцільну

«карту пам'яті», стає майже неможливо зруйнувати її стандартними фізичними методами,

що дає змогу витримувати високий тиск і кип'ячу воду.

26

Флеш пам'ять зберігає інформацію в масиві «комірок», кожна з яких традиційно зберігає по одному біту інформації. Кожна комірка - це транзистор із плаваючим затвором. Новіші пристрої (інколи їх ще називають багатозарядними пристроями) можуть містити більше, ніж 1 біт в комірці, використовуючи два чи більше рівні електричних зарядів, розташованих при плаваючому затворі комірки. У флеш пам'яті типу NOR кожна комірка схожа на стандартний MOSFET (оксидний напівпровідниковий польовий транзистор), але у ній є не один затвор, а два. Як і будь-який інший польовий транзистор,

вони мають контрольний затвор (КЗ), а, окрім нього, ще й інший — плаваючий (ПЗ),

замкнений всередині оксидного шару. ПЗ розташоване між КЗ і підкладкою. Оскільки ПЗ відокремлений власним заізольованим шаром оксиду, будь-які електрони, що попадають на нього відразу потрапляють в пастку, що дозволяє зберігати інформацію. Захоплені плаваючим затвором електрони змінюють (практично компенсують) електричне поле контрольного затвору, що змінює порогову напругу (Vп) затвору. Коли з комірки

«зчитують» інформацію, до КЗ прикладають певну напругу, в залежності від якої в каналі транзистора протікатиме або не протікатиме електричний струм. Ця напруга залежить від

Vп комірки, яка в свою чергу контролюється числом захоплених плаваючим затвором електронів. Величина порогової напруги зчитується і передоковується в одиницю чи нуль. Якщо плаваючий затвор може мати кілька зарядових станів, то зчитування відбувається за допомогою вимірювання сили струму в каналі транзистора. Для запису інформації в комірку NOR необхідно зарядити плаваючий затвор. Цього досягають,

пропускаючи через канал транзистора сильний струм, при якому виникають гарячі електрони, що мають достатню енергію для подолання оксидного шару. Для очищення плаваючого затвору від електронів (стирання інформації) до контрольного затвору прикладають значну напругу, яка створює сильне електричне поле. Захоплені плаваючим затвором електрони висмоктуються цим полем, тунелюючи через оксидний шар. У

приладах з однотипною напругою (теоретично всі чіпи, які доступні нам на сьогоднішній день) ця висока напруга створюється генератором підкачки заряду. Більшість сучасних компонентів NOR пам'яті розділені на чисті сегменти, які часто називають блоками чи секторами. Всі комірки пам'яті в блоці повинні бути очищені одночасно. На жаль, метод

NOR може в загальному випадку обробляти лише одну частину інформації типу byte чи

27

word. NAND пам'ять використовує тунельну інжекцію для запису і тунельний випуск для вилучення. NAND'ова флеш-пам'ять формує ядро легкого USB інтерфейсу запам'ятовуючих приладів, які також відомі як USB флешки. Тоді, коли розробники збільшують густину флеш приладів, індивідуальні комірки діляться і кількість електронів в будь-якій комірці стає дуже малою. Парування між суміжними плаваючими затворами може змінити характеристики запису комірки. Нові реалізації, такі як заряджені пастки флеш-пам'яті, намагаються забезпечити кращу ізоляцію між суміжними комірками.

Швидкість Флеш пам'ять доступна у декількох швидкостях. Деякі визначають швидкість приблизно в 2Мб/с, 12 Мб/с, і т.д. Проте інші карточки просто мають рейтинг

100x, 130x, 200x, і т.д. Для таких карток за 1x беруть швидкість 150 Кб/с. Це була швидкість, якою могли передавати інформацію перші CD прилади, і її запозичили флеш картки пам'яті. Хоча коли порівнювати 100x карточку до карточки, яка передає зі швидкістю в 12 Мб/с використовують наступні перетворення:

150КБ × 100 = 15000 Кб/с

Щоб перетворити Кб в Мб, ділимо на 1024:

15000Кб ÷ 1024 = 14.65 Мб/с

Хоча насправді 100x картки на 2.65 Мб/с швидші, ніж картки, які вимірюються у швидкості в 12 Мб/с.

Пошкодження інформації та її відновлення. Найбільшою поширеною помилкою втрати інформації картки флеш пам'яті є те, що її витягують із пристрою, коли інформація ще продовжується писатись. Ситуація погіршується, якщо використовувати несумісні файлові системи, що не розроблені для приладів, які виймаються, або якщо існує асинхронізація (коли інформація ще стоїть в черзі на запис, а в той момент відключають пристрій). В деяких випадках можливо відновити інформацію з флеш пам'яті. Евристичний метод та метод «грубого» втручання є прикладами відновлення, які можуть повернути загальну інформацію, збережену на карті флеш пам'яті.

Виробники флеш пам'яті: Samsung, Intel, Atmel, Qimonda, STMicroelectronics, Spansion, Sharp Corporation, Toshiba, Sandisk, Micron Technology, SimpleTech, Kingston Technology, Hynix, Winbond, Excel Semiconductor, SST, Macronix, Lexar, Eon Silicon Solution Inc., (ESSI), AMIC Technology.

28

1.3 Система обробки інформації

Процесор(мікропроцесор, МП)(Рис.1.13) мікросхема, призначена для безпосереднього виконання дій з інформацією: арифметичних обчислень та логічної обробки.

Рис. 1.13 Мікропроцесор Intel Core i7

Характеристики процесора:

1.Типи процесорів

CISC процесори

RISC процесори

MISC процесори Матричні процесори Суперскалярний процесор Комунікаційний процесор

Процесори з конвейєрною обробкою

1.3.1 CISC процесори.

Двома основними архітектурами набору команд, використовуваною комп'ютерною промисловістю на сучасному етапі розвитку обчислювальної техніки є архітектура CISC і RISC. Основоположником CISCархітектури можна вважати компанію IBM з її базовою архітектурою/360, ядро якої використовується дуже давно і дійшло до наших днів,

наприклад, в таких сучасних мейнфреймах як IBM ES/9000. Ця архітектура є практичним стандартом для ринку мікрокомп'ютерів. Для CISC-процесорів характерний: порівняльне невелике число регістрів загального призначення; велика кількість машинних команд,

деякі з яких навантажені семантично аналогічно операторам високорівневих мов програмування і виконуються за багато тактів; велика кількість методів адресації; велика

29

кількість форматів команд різної розрядності; переважання двоадресного формату команд; наявність команд обробки типу регістр-пам'ять.

1.3.2 RISC процесори

Основою архітектури сучасних робочих станцій і серверів є архітектура комп'ютера з скороченим набором команд (RISC - Reduced Instruction Set Computer). Зачатки цієї архітектури йдуть своїм корінням до комп'ютерів CDC6600, розробники яких (Торнтон,

Крей і ін.) усвідомили важливість спрощення набору команд для побудови швидких обчислювальних машин. Цю традицію спрощення архітектури С. Крэй з успіхом застосував при створенні широко відомої серії суперкомп'ютерів компанії Cray Research.

Проте остаточне поняття RISC в сучасному його розумінні сформувалося на базі трьох дослідницьких проектів комп'ютерів: процесора 801 компанії IBM, процесора RISC

університету Берклі і процесора MIPS Стенфордського університету.

1.3.3 MISC процесори

MISCпринцип "простоти", початковий для RISC процесорів, дуже швидко відійшов на задній план. У запалі боротьби за максимальну швидкодію, RISC наздогнав і перегнав багато CISC процесори по складності. Тим часом очевидні багато проблем

RISC архітектури RISC команди все ще повільні. Використовується багатоступінчатий конвейєр для їх виконання. Проте всякий раз при галуженні програми конвейєр скидається і заповнюється наново. Із збільшенням швидкодії росте розрив між швидким процесором і повільною пам'яттю. Для збільшення швидкості доступу до пам'яті необхідно використовувати кеш пам'ять RISC процесори дуже неефективні на операціях виклику і повернення підпрограм.

1.3.4 Матричні процесори

Матричний процесор об'єднує безліч фунцкціональних пристроїв, що логічно об'єднаних в матрицю і працюють в SIMD-стилі. Векторний же процесор має вбудовані інструкції для обробки векторів даних, що дозволяє ефективно завантажити конвейєр з функціональних пристроїв. Організація систем подібного типу на перший погляд достатньо проста. Вони мають загальний пристрій, що управляє, генерує потік команд і велике число процесорних елементів, що працюють паралельно і оброблювальних кожна

30

свій потік даних. Таким чином, продуктивність системи виявляється рівній сумі продуктивності всіх процесорних елементів. Організація систем подібного типу на перший погляд достатньо проста. Вони мають загальний пристрій, що управляє, генерує потік команд і велике число процесорних елементів, що працюють паралельно і оброблювальних кожна свій потік даних. Таким чином, продуктивність системи виявляється рівній сумі продуктивності всіх процесорних елементів. Саме характер зв'язків між процесорними елементами і визначає різні властивості системи.

Одним з перших матричних(архітектурних) процесорів був SОLОМОN

Система SОLOМОN містить 1024 процесорних елементів, сполучені у вигляді матриці: 32х32. Кожен процесорний елемент матриці включає процесор, що забезпечує виконання послідовних порозрядних арифметичних і логічних операцій, а також оперативне ЗУ, місткістю 16 Кбайт. Довжина слова - змінна від 1 до 128 розрядів.

Система SОLOМОN містить 1024 процесорних елементу, сполучені у вигляді матриці: 32х32. Кожен процесорний елемент матриці включає процесор, що забезпечує виконання послідовних порозрядних арифметичних і логічних операцій, а також оперативне ЗУ,

місткістю 16 Кбайт. Довжина слова - змінна від 1 до 128 розрядів. У процесорному елементі використовується, багато модальна логіка, яка дозволяє кожному процесорному елементу виконувати або не виконувати загальну операцію залежно від значень оброблюваних даних.

1.3.5 Процесори з конвейєрною обробкою

Розробники архітектури комп'ютерів відвіку вдавалися до методів проектування,

відомих під загальною назвою "Поєднання операцій", при якій апаратура комп'ютера у будь-який момент часу виконує одночасно більш за одну базову операцію. Цей загальний метод включає два поняття: паралелізм і конвейєризацію. Конвейєризація (або конвейєрна обробка) в загальному випадку заснована на розділені що підлягає виконання функції на дрібніші частини, звані ступенями, і виділенні для кожної з них окремого блоку апаратури. Так обробку будь-якої машинної команди можна розділити на декілька етапів (декілька ступенів), організувавши передачу даних від одного етапу до наступного. При цьому конвейєрну обробку можна використовувати для поєднання етапів виконання різних команд. Так обробку будь-якої машинної команди можна

31