Учебники 80389

Контроллер прямого доступа к памяти (DMA - Direct Memory Access) обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и оперативной памятью без участия микропроцессора, что существенно повышает эффективное быстродействие ПК: Иными словами, режим DMA позволяет освободить процессор от рутинной пересылки данных между внешними устройствами и ОП, отдав эту работу контроллеру DMA; процессор в это время может обрабатывать другие данные или другую задачу в многозадачной системе.

Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с МП существенно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств (дисплея, принтера, НЖМД, НГМД и т. д.); освобождает МП от обработки процедур ввода-вывода, в том числе реализует, и режим прямого доступа к памяти.

Контроллер прерываний обслуживает процедуры прерывания. Прерывание - временная приостановка выполнения одной программы с целью

Рис. 7.6. Работа локальной шины

оперативного выполнения другой, в данный момент более важной (приоритетной) программы. Контроллер принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в МП. Микропроцессор, получив этот сигнал, приостанавливает выполнение текущей программы и переходит к выполнению специальной программы обслуживания того прерывания, которое запросило внешнее устройство. После завершения программы обслуживания восстанавливается выполнение прерванной программы. Контроллер прерываний является программируемым. Прерывания возникают при работе компьютера постоянно, достаточно сказать, что все процедуры ввода-вывода информации выполняются по прерываниям. Например, в компьютерах

151

IBM PC прерывания от таймера возникают и обслуживаются контроллером прерываний 18 раз в секунду (длятся эти прерывания тысячные доли секунды и поэтому пользователь их не замечает).

7.7. Основы BIOS

BIOS — это термин, который используется для описания базовой системы ввода-вывода. BIOS представляет собой интерфейс между аппаратным обеспечением и операционной системой. BIOS в PC-совместимой системе либо находится в микросхеме системной платы или в микросхеме плат адаптеров, напримерввидеоадаптере, либозагружаетсясдиска(драйверы).

Собственная BIOS, как правило, устанавливается на следующих платах:

•видеоадаптеры — всегда имеют собственную микросхему

BIOS;

•SCSI-адаптеры — обратите внимание, что эта BIOS не поддерживает все SCSI-устройства, т.е. с диска необходимо загружать дополнительные драйверы для накопителей CD-ROM, сканеров, устройств Zip и прочих с интерфейсом SCSI;

•сетевые адаптеры — для начальной инициализации устройства либо нормального функционирования в бездисковых рабочих станциях или терминалах;

•платы обновления IDE или дисковода — для поддержки функ-

ции загрузочного устройства при запуске системы;

•платы для решения проблемы Y2K — в них содержится кор-

ректная процедура перехода в новое тысячелетие.

Во всех системных платах есть микросхема, в которой записано программное обеспечение, называемое BIOS или ROM BIOS. Эта микросхема содержит стартовые программы и драйверы, необходимые для запуска системы и функционирования основного аппаратного обеспечения. В ней также содержится процедура POST (самотестирование при включении питания) и данные системной конфигурации. Все эти параметры записаны в CMOS-память, которая питается от батарейки, установленной на системной плате. Эту CMOS-память часто называют NVRAM (Non-Volatile RAM). Таким образом, BIOS представляет собой комплект программ, хранящихся в одной или нескольких микросхемах. Эти программы выполняются при запуске компьютера до загрузки операционной системы. BIOS в большинстве PC-совместимых компьютеров выполняет четыре основные функции.

•POST — самотестирование при включении питания процессора, памяти, набора микросхем системной логики, видеоадаптера, контроллеров диска, дисковода, клавиатуры и других жизненно важных компонентов системы.

•Программа установки параметров BIOS (Setup BIOS) — кон-

фигурирование параметров системы. Эта программа запускается при нажатии определенной клавиши (или комбинации клавиш) во время выполнения процедуры POST. В старых компьютерах на базе процессоров 286 и

152

386 для запуска этой программы необходима специальная дискета.

•Загрузчик операционной системы — подпрограмма, выпол-

няющая поиск действующего основного загрузочного сектора на дисковых устройствах. При обнаружении сектора, соответствующего определенному минимальному критерию (его сигнатура должна заканчиваться байтами 55AAh), выполняется код начальной загрузки. Эта программа загружает загрузочный сектор операционной системы, который, в свою очередь, загружает файлы ядра операционной системы.

•BIOS — набор драйверов, предназначенных для взаимодействия операционной системы и аппаратного обеспечения при загрузке системы. При запуске DOS или Windows в режиме защиты от сбоев используются драйверы устройств только из BIOS.

ROM (Read-Only Memory) — тип памяти, которая может постоянно (или практически постоянно) хранить данные. Эти записанные данные хранятся в памяти даже при отключении питания. Таким образом, для хранения стартовых процедур (и BIOS) наиболее подходит память ROM. Аналогичная память используется и в других устройствах с собственной BIOS, например в видеоадаптерах. ROM представляет собой часть оперативной памяти системы.

Микросхемы ROM очень “медленны”: время доступа равно 150 нс при времени доступа запоминающего устройства DRAM 60 нс или меньше. Поэтому во многих системах ROM затеняется, т.е. ее содержимое копируется в микросхемы динамической оперативной памяти при запуске, чтобы сократить время доступа в процессе функционирования.

Затенение эффективно главным образом в 16-разрядных операционных системах типа DOS или Windows 3.x. Если компьютер работает под управлением 32-разрядной операционной системы типа Windows 9х или Windows NT/2000, то затенение фактически бесполезно, потому что эти операционные системы не используют 16-разрядный код из ROM. Вместо него они загружают 32-разрядные драйверы в оперативную память, заменяя ими 16-разрядный код базовой системы ввода-вывода, который, таким образом, используется только в течение запуска системы.

Существует четыре различных типа микросхем памяти ROM.

•ROM (Read Only Memory).

•PROM (Programmable ROM) — программируемая ROM.

•EPROM (Erasable PROM) — стираемая программируемая

ROM.

•EEPROM (Electrically Erasable PROM) — электронно-

стираемая программируемая

ROM, также называемая Flash ROM. Независимо от типа ROM, данные

вней сохраняются до тех пор, пока не будут стерты преднамеренно. Обновление ROM BIOS может улучшить характеристики системы. Однако иногда процедура обновления BIOS может быть сложной, во всяком случае значительно сложнее подключения микросхем ROM.

ROM BIOS — программа, повышающая “интеллектуальный” уровень компонентов компьютера. Обновление базовой системы ввода-вывода

153

часто может повысить эффективность компьютера и расширить его возможности.

Если же используются современные операционные системы, удовлетворяющие спецификации Plug and Play (Windows 9x и последующие версии), при установке нового оборудования зачастую не нужно обновлять BIOS. Достаточно найти соответствующий драйвер, и устройство будет нормально функционировать.

CMOS-память. В оригинальной системе AT микросхема Motorola 146818 использовалась как часы (10 байт) и как энергонезависимая память (54 байт), в которую можно было записать любую информацию. Эти 54 байта в компьютере IBM AT использовались для записи системной конфигурации.

Всовременных компьютерах микросхема Motorola 146818 не используется. Часть ее функций передана набору микросхем системной логики (компонент South Bridge) или микросхеме Super I/O, вместо нее также может использоваться специальная батарейка и модуль памяти NVRAM (Non-Volatile RAM).

Всовременных системных платах устанавливаются микросхемы CMOSпамяти объемом 2 или 4 Кбайт. Эта дополнительная память используется для сохранения информации об устройствах Plug and Play.

Plug and Play BIOS. Установка и конфигурирование устройств в PCсовместимом компьютере довольно сложный процесс. Пользователь должен назначить устройству прерывание, порты ввода-вывода и каналы DMA, т.е. ресурсы, не используемые в данный момент другими устройствами. Это выполнялось с помощью перемычек и переключателей на плате устанавливаемого устройства. При неверном выборе параметров возникал конфликт устройств, который чаще всего являлся причиной других ошибок: например, система отказывалась загружаться. Технология Plug and Play значительно упростила процесс установки и конфигурирования новых устройств. Пользователю необходимо лишь вставить плату в свободный разъем, а система автоматически выделит необходимые ресурсы.

ТехнологияPlug and Play состоитизследующихосновныхкомпонентов:

•Plug and Play BIOS;

•Extended System Configuration Data (ESCD);

•Операционная система Plug and Play.

При загрузке компьютера Plug and Play BIOS инициирует конфигурирование устройств, соответствующих спецификации Plug and Play. Если адаптер был уже установлен в системе, то BIOS считывает конфигурационную информацию из ESCD, инициализирует устройство и продолжает загрузку. Если же устройство впервые появилось в системе, BIOS запрашивает у ESCD свободные ресурсы. Получив их, она конфигурирует новое устройство. Если же с помощью свободных ресурсов нельзя сконфигурировать новое устройство, то BIOS продолжает загрузку компьютера, а конфигурированием занимается операционная система. Параметры всех корректно сконфигурированных устройств записываются в базу данных ESCD.

154

Глава 8. Внешние устройства

На рисунке 8.1. изображены основные части ЭВМ. В предыдущих параграфах рассмотрены основные компоненты, устанавливаемые в корпус системного блока ЭВМ: процессор, системная плата, оперативная память.

Для обеспечения ввода и вывода информации в ЭВМ и взаимодействие с человеком используются внешние устройства (ВУ) или external device, - эти устройства, как правило, конструктивно отделены от основного блока системы.

Внешние устройства предназначены для ввода данных в ЭВМ, пересылки данных, их хранения. В список внешних устройств, именуемых также периферийными устройствами, входит большое число аппаратов. К ним, в первую очередь, относятся устройства ввода/вывода. Характерной особенностью внешних устройств является их независимость от ЦП. Они имеют собственную систему управления и функционируют по ее командам. Многие внешние устройства имеют прямой доступ к памяти.

8.1. Накопители массивов информации (ВЗУ)

Массовая память, или mass storage, - внешнее ЗУ большой емкости. Выделяют три группы устройств массовой памяти. Первая из них служит для хранения наиболее часто используемых программ и данных. Обычно это осуществляется на комплексах резервирования матрицей независимых дисков и отдельных жестких дисков. Вторая группа предназначена для хранения регулярно, но не часто используемых программ и данных. К третьей группе относятся редко применяемые программы и данные, например изображения, особенно видеофильмы. В этих группах широко используются магнитные ленты (МЛ) и оптические диски. Наряду с обычными здесь все чаще используются съемные накопители. Последние подключаются к компьютерам через разъемы, стандарты на которые опреде-

Устройство

Рис. 8.1. Устройства ЭВМ

155

ляют фирмы либо международные организации.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) можно разделить на следующие классы:

• по типу доступа:

—с произвольным доступом (диски, флэш-карты);

—с последовательным доступом (ленты);

•по используемой технологии записи/считывания информации:

— с магнитными носителями (НЖМД, НГМД);

— с оптическими носителями (CD, DVD);

— с магнитооптическими носителями (Fujitsu DynaMO);

— использующие флэш-память;

•по типу носителя:

—с постоянным носителем (жесткие диски);

—со сменными носителями (гибкие диски, картриджи стримеров), сменные пакеты жестких дисков.

8.1.1.Накопители на магнитных лентах.

Воснове работы магнитных носителей - накопителей на жестких и гибких дисках - лежит такое явление, как электромагнетизм. Оно было открыто датским физиком Хансом Эрстедом в 1820 году. Суть его состоит в том, что при пропускании через проводник электрического тока вокруг него образуется магнитное поле. Это поле воздействует на оказавшееся в нем ферромагнитное вещество. При изменении направления тока полярность магнитного поля также изменяется. Явление электромагнетизма используется в электродвигателях для генерации сил, воздействующих на магниты, которые установлены на вращающемся валу. Однако существует и противоположный эффект: в проводнике, на который воздействует переменное магнитное поле, возникает электрический ток. При изменении полярности магнитного поля изменяется и направление электрического тока.

Головка чтения/записи в любом дисковом накопителе состоит из U- образного ферромагнитного сердечника и намотанной на него катушки (обмотки), по которой может протекать электрический ток. При пропускании тока через обмотку в сердечнике (магнитопроводе) головки создается магнитное поле (рис. 8.2). При переключении направления протекающего тока полярность магнитного поля также изменяется. В сущности, головки представляют собой электромагниты, полярность которых можно очень быстро изменить, переключив направление пропускаемого электрического тока.

Гибкие магнитные диски обычно делаются на лавсановой, а жесткие

-на алюминиевой или стеклянной подложке, на которую наносится слой ферромагнитного материала. Рабочий слой в основном состоит из окиси железа с различными добавками. Магнитные поля, создаваемые отдельными доменами на чистом диске, ориентированы случайным образом и вза-

156

имно компенсируются на любом сколько-нибудь протяженном (макроскопическом) участке поверхности диска, поэтому его остаточная намагниченность равна нулю.

Если участок поверхности диска при протягивании вблизи зазора головки подвергается воздействию магнитного поля, то домены выстраиваются в определенном направлении и их магнитные поля больше не компенсируют друг друга. В результате на этом участке появляется остаточная намагниченность, которую можно впоследствии обнаружить. Выражаясь научным языком, можно сказать: остаточный магнитный поток, формируемый данным участком поверхности диска, становится отличным от нуля.

Эти накопители относятся к классу внешних запоминающих устройств последовательного доступа. В них доступ к требуемому набору данных происходит только после завершения перемотки всей предшествующей части магнитной ленты (МЛ). Такие накопители, благодаря низкой стоимости, простоте эксплуатации и хранения, компактности и долговременности использования, обладают несомненными преимуществами в тех случаях, когда порции данных обрабатываются последовательно друг задругом.

Магнитные ленты для цифровой записи данных размешаются на бобинах или кассетах (подобно лентам для бытовой аудиоили видеозаписи). Однако принципы размещения информации на МЛ в данном случае существенно другие (рис. 8.2):

•информация размещается на носителе в виде блоков (массивов данных фиксированной или переменной длины);

•информационные блоки разделены пустыми промежутками (gap), позволяющими считывающему устройству распознать начало (окончание) блока. Размер промежутка между записями выбирается достаточным для

Рис. 8.2. Механизм чтения / запись на

157

разгона ленты до установленной скорости и остановки ее точно на следующем промежутке. Недостаток промежутков между записями - уменьшение полезного объема МЛ, так как области, отведенные под промежутки, нельзя использовать для хранения данных. Частично указанный недостаток устраняет метод блокирования, суть которого состоит в объединении нескольких записей в блоки;

•блоки разделяются на информационные (ИБ - распознаются программами) и служебные (распознаются устройством - конец файла и конец тома);

•физическое начало и физический конец ленты обычно определяются оптическим или механическим образом (независимо от содержания ленты).

В ЭВМ обычно применяется девятидорожечная запись информация записывается одновременно девятью магнитными головками. Из девяти одновременно записываемых битов информации восемь являются информационными (один байт) и один - контрольным битом четности. Начало области магнитной ленты, в которую записывается информация, называется точкой загрузки и помечается специальным физическим маркером. Физический маркер представляет собой кусочек алюминиевой фольги, наклеиваемый на расстоянии 1-2 м от начала магнитной ленты. Конец информационной области МЛ помечается таким же физическим маркером, наклеиваемым на расстоянии от конца МЛ. Наличие указанных специальных маркеров, распознавание которых производится фотоэлектронным способом, позволяет осуществить перемотку МЛ к началу информационной области и автоматической остановки по достижении ее конца.

Максимальное ограничение на размер блока зависит от размера доступной оперативной памяти (возможность размещения буфера считывания файла). Блокирование увеличивает полезный объем магнитной ленты за счет сокращения числа промежутков между записями. Кроме того, уменьшается количество операций ввода-вывода, так как за одну операцию производится пересылка не одной записи, а сразу нескольких. Преимущества блокирования, заключающиеся в увеличении полезного объема МЛ и уменьшении общего времени работы программы на ввод-вывод данных, значительно превосходят возникающие при этом недостатки, связанные с увеличением объемов данных

впрограмме пользователя и необходимостью выполнения процедур по формированиюблоковиразделениюпринятыхблоковназаписи.

С помощью дополнительного набора магнитных головок считываются только что записанные на МЛ биты информации, в случае их несовпадения идентифицируется состояние ошибки. Оба набора магнитных головок считывают данные с МЛ и при несовпадении какой-либо пары битов также будет выработан сигнал об ошибке.

Магнитные ленты в силу ряда своих положительных достоинств играют важную роль при организации больших информационных архивов и фондов пакетов программ.

Картриджи с магнитными лентами. В одной из таких систем, по-

лучившей довольно широкое распространение, используются 8-

158

миллиметровые ленты видеоформата, заключенные внутрь кассеты (рис. 8.3). Такая кассета называется картриджем. Емкость картриджа составляет от 2 до 5 Гбайт, а скорость считывания с него данных — несколько сотен килобайтов в секунду. Чтение и запись выполняются системой спиральной развертки, подобной той, что применяется в видеокассетах. Плотность записи данных составляет десятки миллионов битов на квадратный дюйм. Существуют системы, позволяющие автоматизировать загрузку и выгрузку картриджей таким образом, чтобы десятки гигабайт данных можно было скопировать с диска без вмешательства оператора.

Рис. 8.3. Ленточный картридж Verbatim DC2120-EX (QIC-80) (слева),

стандартный ленточный Картридж DC-2120

Стример (англ. tape streamer) устройство для резервного копирования больших объемов информации. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой емкостью 1-2 Гбайт и более. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяют автоматически уплотнять информацию перед ее записью и восстанавливать после считывания, что увеличивает объем сохраняемой информации. Недостатком стримеров является их сравнительно низкая скорость записи, поиска и считывания информации.

Размещение информации на МЛ связано со следующими проблемами. Для уверенного распознавания промежутка (gap), он должен иметь значительную длину (особенно при высоких скоростях перемотки/чтения). При скорости движения ленты 2-3 м/с длина промежутка должна составлять не менее 1-2 см. Очевидно, что для того, чтобы эффективность использования МЛ была достаточно высокой, длина ИБ должна как минимум в 2—3 раза превышать длину промежутка (при этом коэффициент полезного использования МЛ будет составлять 60—75 %). При этом также увеличивается скорость обмена между ОП и ВУ, поскольку за одно обращение к МЛ считывается как минимум один ИБ. Однако увеличение длины ИБ требует увеличения объема ОП для размещения буфера, связанного с данным файлом (буфер выделяется операционной системой при открытии файла), в связи с чем одновременное открытие большого числа файлов может оказаться невозможным при ограниченном размере ОП.

159

8.1.2. Накопители на магнитных дисках

Накопители на магнитных дисках (МД) получили наибольшее распространение. В них каждая запись данных имеет свой собственный уникальный адрес, обеспечивающий непосредственный (минуя все остальные записи) доступ к ней. В НМД предусмотрена аналогичная НМЛ возможность последовательного доступа к информации. Накопитель на магнитных дисках сочетает в себе несколько устройств последовательного доступа, причем сокращение времени поиска данных обеспечивается за счет независимости доступа к записи от ее расположения относительно других записей. Конструкция НМД сложнее, чем у НМЛ а, следовательно, выше их стоимость. В НМД в качестве носителей данных используется пакет магнитных дисков, закрепленных на одном стержне, вокруг которого они вращаются с постоянной скоростью (рис. 8.4). Поверхность магнитного диска, покрытая ферромагнитным слоем, называется рабочей.

Рис. 8.4. Дорожки и секторы накопителя на жестких дисках (с лева), цилиндр накопителя на жестких дисках (с права)

Первые подобные устройства были оборудованы сменными пакетами МД. Вставленные в кожух с герметически закрывающимся поддоном, они образовываликомпактныеединицыхранения, именуемыетомами. Наиболеераспространенными емкостями томов были 7,25 Мбайт, 29 Мбайт, 100 Мбайт.

160