ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Южно-российский государственный университет экономики и сервиса

Технические средства предприятий информационного сервиса

Часть 2 Пособие

Для студентов дневной формы обучения специальности

230702 «Информационный сервис»

ШАХТЫ 2005

Авторы:

к.т.н., доцент кафедры «Информатика»

Д. Н. Галушкин

Рецензент:

к.т.н., доцент кафедры «Информатика»

И.В. Барилов

Учебно-методическое пособие содержит описание основных технических средств обработки и передачи информации. Основное внимание уделяется техническим средствам обработки информации: компьютеры (оперативная память, системные и локальные шины и т.д.), телекоммуникации.

Проведение лекционных занятий в рамках данного пособия позволит студентам дневного факультета ознакомится с современными техническими средствами обработки информации.

Содержание

1 ПЕРИФЕРИЙНЫЕ ШИНЫ	4
1.1 Контроллеры IDE (ATA)	4
1.2 интерфейс Serial ATA	8
1.3 Интерфейс SCSI	12
1.4 Fibre Channel	16
1.5 Последовательные интерфейсы COM, АТ, PS/2	17
1.6 Интерфейс LPT	20
2 ИНФРАКРАСНЫЙ ПРОТОКОЛ	23
3 ТЕХНОЛОГИИ AMR И CNR	26
4 ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА КОМПЬЮТЕРА	27
5 ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ	27
5.1 Статическая и динамическая оперативная память	28
5.2 Регистровая кэш-память	30
5.3 Физическая структура основной памяти	31
5.4 Типы оперативной памяти	32
5.5 Постоянные запоминающие устройства	39
5.6 Логическая структура основной памяти	39
6 ВНЕШНИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА	43
6.1 Логическая структура данных на диске	44
6.2 Накопители на жестких магнитных дисках	48
6.3 Дисковые массивы RAID	52
6.4 Накопители на гибких магнитных дисках	58
6.5 Накопители на флоптических дисках	59
6.6 Накопители на магнитной ленте	60
7 УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЧТЕНИЯ/ЗАПИСИ КАРТ ПАМЯТИ	63
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК	64

1 Периферийные шины

1.1 Контроллеры ide (ata)

В 1984 году компании Compaq и Western Digital разработали IDE- контроллер (Integrated Disk Electronic). Основная идея заключается в том, что сам интерфейсный контроллер встроен в электронику носителя, при этом контроллер, к которому подключается диск, не является полноценным устройством, выполняет только функции сопряжения носителя с шиной. Интерфейс IDE называют еще ATA (AT Attachment) или AT-BUS-контроллером. Современные чипсеты содержат IDE-контроллер и на материнской плате присутствуют соответствующие разъемы.

Во время создания стандарта АТА, в компьютерах главной шиной была 16- разрядная ISA, и контроллер, разрабатывавшийся под нее - 16-разрядный, причем эта разрядность сохранилась и по сей день.

Первоначально стандарт имел следующие особенности:

-Поддержка не более двух жестких дисков. Один канал делится между двумя устройствами, сконфигурированными как master и slave. Соответственно master считается главным (загрузочным) устройством, а slave - вторичным.

-Поддержка PIO modes 0, 1 и 2.

Поддержка singleword DMA modes 0, 1 и 2 и multiword DMA mode 0.

В режиме PIO каждый байт информации с носителя считывается процессором и только затем передается в RAM. В зависимости от длительности цикла считывания и количества секторов, передаваемых за одно считывание, различают режимы PIO Mode 0, Mode 1, которые характеризуют скорость передачи данных. Чем больше цифра в обозначении типа, тем больше скорость передачи (Mode 0-3,3 Мбайт/с, Mode 3-11 Мбайт/с). В режиме DMA процессор лишь дает DMA-контроллеру команду на обмен данными и не участвует в этом процессе. Современные устройства используют режим multi word как быстрый. Хотя DMA эффективнее PIO, второй в контроллерах IDE получил более широкое распространение, в основном из-за совместимости. Для подключения устройств к контроллеру используется 40-жильный шлейф.

Через определенное время появился АТА-2, обеспечивающий более высокую скорость обмена информацией и содержащий несколько новых возможностей:

-Добавлена поддержка PIO modes 3 и 4.

-Поддерживает multiword DMA modes 1 и 2.

-Добавлены команды, позволяющие осуществлять обмен в режиме block transfer для повышения производительности.

-АТА-2 требует поддержки жестким диском протокола передачи LBA (Logical Block Addressing. В режиме LBA информация из физического адреса размещенных на диске данных (формат С/H/S) преобразуется в 28-битовый логический адрес.

Большую путаницу в наименования IDE-стандартов вносят названия Fast ATA, Fast ATA-2 и EIDE (Enhanced IDE). Все эти стандарты базируются на АТА-2 и являются лишь маркетинговыми терминами. На самом деле Fast ATA-2 - другое название стандарта АТА-2, а Fast ATA отличается от него тем, что не поддерживает режимы - PIO mode 4 и DMA mode 2. EIDE - придуман Western Digital и не стандартизирован, он включает в себя поддержку АТА-2, ATAPI и двух IDE/ATA каналов, что позволяет использовать одновременно до 4 IDE/ATA/ATAPI устройств (по два на канале). EIDE позволяет использовать диски емкостью более 504 Мбайт из-за применения нового стандарта BIOS, который появился в то же время, что и IDE - Enhanced BIOS. От названий Fast ATA и Fast ATA-2 в начале 90-х годов отказались, а Western Digital до сих пор продолжает использовать EIDE, периодически перерабатывая его смысл (первоначально там не было поддержки PIO mode 4, а потом она появилась), так что сегодняшний EIDE сильно отличается от оригинального. Только совсем недавно от этой аббревиатуры окончательно отказались.

Во время разработки интерфейса IDE/ATA, единственным устройством для этого интерфейса являлся жесткий диск (стримеры и CD-ROM имели собственный интерфейс). Однако вскоре для подключения всех устройств решили использовать интерфейс IDE. Однако существовала проблема в том, что система команд интерфейса IDE рассчитана только на жесткие диски, поэтому подключить, CD-ROM к IDE-каналу нельзя. Пришлось разработать новый протокол - ATA Packet Interface (ATAPI). Этот протокол позволяет другим устройствам подключаться с помощью стандартного шлейфа IDE и вести себя как IDE-жесткий диск. Протокол ATAPI сложнее ATA, поскольку передача данных идет с использованием стандартных режимов PIO и DMA, а реализация поддержки этих режимов существенно зависит от типа подключенного устройства. Название packet протокол получил по причине того, что команды устройству приходится передавать группами (пакетами). C появлением ATAPI практически все контроллеры ATA-2 стали его поддерживать. Сейчас все производимые IDE-контроллеры могут использовать ATAPI-протокол, а их BIOS поддерживают загрузку с ATAPI-устройств.

В 1997 году принята новая версия стандарта - ATA-3, который является по сути АТА-2 с небольшими дополнениями:

-содержит средства, повышающие надежность передачи данных с использованием высокоскоростных режимов (это является проблемой, поскольку кабель IDE остался неизменным);

-включает S.M.A.R.T. (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology).

Вскоре появился ATA/ATAPI-4. С ним повторилась похожая на АТА-2 ситуация, и новый стандарт стал именоваться UltraATA/33 (UltraDMA/33). Вот основные его характеристики:

-поддержка режима ATAPI;

-устранены старые и уже не нужные команды и возможности, а взамен появились другие;

-появился новый протокол передачи данных, multiword DMA mode 3 (UltraDMA), позволяющий добиться более высокой пропускной способности ATA (до 33 Мбайт/с), а также возможность обеспечить целостность передаваемых на такой скорости через стандартный 40-жильный кабель данных (путем использования CRC).

Указанный протокол UltraDMA оказался удачным, и вскоре вышел ATAPI-5, в котором использовался усовершенствованный UltraDMA, что дало пропускную способность интерфейса в 66 Mb/s. По аналогии с UltraDMA/33 его назвали UltraDMA/66, а в 2001 году он стал обязательным стандартом. Отличием UltraDMA/66 от предыдущих IDE-спецификаций является применение нового 80-жильного кабеля. По дополнительным жилам кабеля не передается никакой информации - все они заземлены и исполняют роль экрана (арматуры) между 40 несущими жилами. Такое армирование связано с тем, что передавать данные со скоростью 66 Mb/s без их потери по кабелю, который в свое время предназначался для скорости порядка 5 Mb/s, стало уже невозможно.

В 2000 году произошло очередное увеличение скорости передачи информации по старому кабелю. Она теперь достигла 100 Mb/s (за счет применения новых режимов DMA), и спецификация стала называться UltraАТА/100 (UltraDMA/100). В официальную версию UltraATA/100 вошли и другие усовершенствования - увеличение LBA с 28 до 64 битов, введение в ATA новых команд, рассчитанных на передачу аудио/видео потоков, методы снижения уровня шума винчестеров. Сейчас практически все винчестеры соответствуют стандарту UDMA/100.

Несмотря на многолетние совершенствования IDE-интерфейса, он остался 16-разрядным. Однако можно встретить информацию о 32-битовой передаче данных между контроллером и шиной. В современных контроллерах это действительно так, однако сам интерфейс все равно 16-разрядный. Просто шина PCI, является 32-разрядной, и чтобы не расходовать ее пропускную способность, контроллер формирует из двух 16-битных пакетов данных один 32-битный.

Все устройства IDE совместимы между собой, однако при этом нужна поддержка контроллером режима ATAPI. Максимально достижимая скорость обмена будет ограничиваться самым медленным IDE-компонентом в системе, например, если подключить винчестер стандарта UDMA/100 к UDMA/33-контроллеру, то передача данных может вестись только по протоколу UDMA/33 или ниже. Возможно подключение устройств разных стандартов к одному контроллеру и даже на один канал, в этом случае для каждого устройства контроллер будет выбирать свой режим. Не рекомендуется подключать сильно отличающиеся устройства к одному контроллеру. Здесь возможна проблема: если подключить жесткий диск большей емкости, чем максимальная, которую поддерживает BIOS, то тогда будет не возможно отформатировать его на полную емкость.

IDE-интерфейс не предназначен для использования в рабочих станций, серверах по следующим причинам, являющихся его недостатками:

-Интерфейс не позволяет работать одновременно с устройствами, подключенными к одному каналу потому, что при копировании файлов с CD на жесткий диск время увеличится как минимум в два раза (контроллер не может начать операцию обмена данными с каким либо устройством до того, как закончит ее с другим). Например, если CD-ROM пытается прочесть плохо читаемый диск, то HDD на это время становится недоступным, и возникает впечатление, что система повисла. Однако это не относится к устройствам, находящимся на разных каналах. Именно поэтому, рекомендуется разносить часто используемые устройства на разные каналы. Если у вас только два IDE-устройства, то подключение их по одному на канал даст существенный прирост быстродействия.

-Большая нагрузка на процессор (до 90%-100%). При использовании режима DMA это значение существенно ниже, что сказывается на производительности компьютера в приложениях, ведущих интенсивный обмен данными с диском. Кстати, после установки операционной системы этот режим выключен по умолчанию, поэтому его настоятельно рекомендуется включить.

-Невозможность подключения внешних устройств.

Тем не менее, интерфейс IDE получил очень широкое распространение и сейчас является главным стандартом для компьютерной индустрии, потому что производство IDE-контроллеров дешево.

Таблица 1 - Типы жестких дисков: от IDE до Fiber Channel

Тип интерфейса	Скорость шины	Год
ATA-2 PIO 3	13.3Mб/с	1993
ATA-2 PIO 4	16.6Mб/с	1994
UDMA/33	33.3Mб/с	1997
UDMA/66	66.6Mб/с	1999
UDMA/100	100Мб/с	2000
UDMA/133	133Мб/c	2002

На сегодняшний день не ожидается развития ATA в том виде, в каком он развивался. UltraATA/100 должен стать последним этапом. В 1999 году началась работа над созданием новой спецификации - Serial ATA, которая должна позволить увеличить возможности интерфейсов передачи данных. Первый определяемый в спецификации вариант - Ultra SATA/1500 - с пропускной способностью 1,5 Гбит/с вышел в конце 2000-го года. В дальнейшем предполагается выход 2х и 4х версий стандарта с пропускной способностью до 6 Гбит/с.

В начале 1970-х годов для мини-ЭВМ разработан интерфейс SCSI (Small Computer System Interface). Первоначальный вариант предполагал скорость обмена 5 Mb/s. Устройства подключались с помощью 50-проводного кабеля. В последствии в SCSI вносились различные дополнения и усовершенствования, повышающие скорость обмена - сегодняшние SCSI-контроллеры поддерживают скорости до 160 Mb/s, больше, чем стандартная шина PCI.

Рассмотрим типичные разъемы, которые можно встретить на SCSI-контроллерах:

Рисунок 1 – Внутренний Low-Density 50-pin разъем

Подключение внутренних медленных устройств - старых HDD, почти всех CD/DVD-ROM, CD-R, MODD, ZIP и т. д. (как IDE, только на 50 контактов)

Рисунок 2 – Внутренний High-Density 68-pin разъем

Подключение внутренних wide-устройств, в основном HDD.

Рисунок 3 – Внешний DB-25 разъем

Подключение внешних медленных устройств, в основном сканеров, IOmega Zip Plus. Устарел.

Рисунок 4 – Внешний Low-Density 50-pin разъем

Или Centronics 50-pin. Внешнее подключение сканеров, стриммеров, обычно SCSI-1 (самый первый вариант SCSI). Как и сам SCSI-1, уже устарел.

Рисунок 5 – Внешний High-Density 50-pin разъем

Или Micro DB50, или Mini DB50. Стандартный внешний разъем для подключения сканеров, внешних CD-ROM, старых HDD и т. п.

Рисунок 6 – Внешний High-Density 68-pin разъем

Или Micro DB68, Mini DB68. Cтандартный внешний wide разъем, в основном для подключения HDD