Сборка модулей памяти и их типы

Со времен появления полупроводниковой памяти и до начала 90-х годов все микросхемы памяти производились, продавались и устанавливались в виде отдельных микросхем. Эти микросхемы вмещали от 1 Кбит до 1 Мбит информации и выше. В первых персональных компьютерах часто оставлялись пустые разъемы, чтобы покупатель в случае необходимости мог вставить дополнительные микросхемы памяти.

В настоящее время распространен другой подход. Группа микросхем (обычно 8 или 16) монтируется на одну крошечную печатную плату и продается как один блок. Он называется SIMM (Single Inline Memory Module — модуль памяти с односторонним расположением выводов) или DIMM (Dual Inline Memory Module — модуль памяти с двухсторонним расположением выводов). На платах SIMM устанавливается один краевой разъем с 72 контактами; при этом скорость передачи данных за один тактовый цикл составляет 32 бит. Модули DIMM, как правило, снабжаются двумя краевыми разъемами (по одному на каждой стороне платы) с 120 контактами; таким образом, общее количество контактов достигает 240, а скорость передачи данных возрастает до 64 бит за цикл. В настоящее время наиболее распространенными являются DDR3 DIMM — третья версия двухскоростных модулей памяти. Типичный модуль DIMM изображен на рис. 2.14.

Рис. 2.14. 4-гигабайтный модуль DIMM с восемью 256-мегабайтными микросхемами

с каждой стороны. Другая сторона выглядит аналогично.

Обычно модули DIMM содержат 8 микросхем по 256 Мбайт каждая. Таким образом, весь модуль вмещает 2 Гбайт информации. Во многих компьютерах предусматривается возможность установки четырех модулей; следовательно, при использовании модулей по 2 Гбайт общий объем памяти достигает 8 Гбайт (и более при использовании модулей большей емкости).

В портативных компьютерах обычно используется модуль DIMM меньшего размера, который называется SO-DIMM (Small Outline DIMM). Модули SIMM и DIMM могут содержать бит четности или код исправления ошибок, однако, поскольку вероятность возникновения ошибок в модуле составляет примерно одну ошибку за 10 лет, в большинстве обычных компьютеров схемы обнаружения и исправления ошибок не применяются.

Магнитные диски

Большинство магнитных дисков состоит из нескольких пластин, расположенных друг под другом, как показано на рис. 2.17. Каждая поверхность снабжена кронштейном и головкой. Кронштейны скреплены таким образом, что одновременно могут перемещаться на разные расстояния от оси. Совокупность до- рожек, расположенных на одном расстоянии от центра, называется цилиндром.

В современных моделях дисков для ПК устанавливается от 1 до 12 пластин, содержащих от 12 до 24 рабочих поверхностей. На одной пластине современных высокопроизводительных дисков может храниться до 1 Тбайт данных, и со временем это значение будет наверняка превышено.

Ясно, что считывание случайных секторов из разных частей диска неэффективно.

Немного сообразительности, и старая школьная формула для вычисления длины окружности c = 2πr откроет, что суммарная длина внешних дорожек больше, чем длина внутренних. Поскольку все магнитные диски вращаются с постоянной угловой скоростью независимо от того, где находятся головки, возникает очевидная проблема. Раньше при производстве дисков изготовители создавали максимально возможную плотность записи на внутренней дорожке, и при продвижении от центра диска плотность записи постепенно снижалась. Если дорожка содержит, например, 18 секторов, то каждый из них занимает дугу в 20°, и не важно, на каком цилиндре находится эта дорожка. В настоящее время используется другая стратегия. Цилиндры делятся на зоны (на диске их обычно от 10 до 30). При продвижении от центра диска число секторов на дорожке в каждой зоне возрастает. Это усложняет структуру информации на дорожке, но зато повышает емкость диска, что считается более важным. Все секторы имеют одинаковый размер. Схема диска с пятью зонами

изображена на рис. 2.18.

С диском связан так называемый контроллер — микросхема, которая управляет диском. Некоторые контроллеры содержат целый процессор. В задачи контроллера входит получение от программного обеспечения таких команд, как READ, WRITE и FORMAT (то есть запись всех преамбул), управление перемещением кронштейна, обнаружение и исправление ошибок, преобразование байтов, считываемых из памяти, в непрерывный поток битов, и наоборот. Некоторые контроллеры производят буферизацию и кэширование нескольких секторов на случай их дальнейшего использования, а также пропускают поврежденные секторы. Необходимость последней функции вызвана наличием секторов с поврежденным, то есть постоянно намагниченным, участком. Когда контроллер обнаруживает поврежденный сектор, он заменяет его одним из свободных секторов, которые выделяются специально для этой цели в каждом цилиндре или зоне.

IDE-диски

Прототипом дисков современных персональных компьютеров был диск машины IBM PC XT. Это был диск Seagate на 10 Мбайт, управляемый контроллером Xebec на встроенной карте. У этого диска было 4 головки, 306 цилиндров и по 17 секторов на дорожке. Контроллер мог управлять двумя дисками. Операционная система считывала с диска и записывала на диск информацию. Для этого она передавала параметры в регистры процессора и обращалась с вызовами к системе BIOS (Basic Input Output System — базовая система ввода-вывода), расположенной во встроенном ПЗУ. Система BIOS выдавала машинные команды для загрузки регистров контроллера, которые начинали передачу данных.

Сначала контроллер помещался на отдельной плате, а с выходом в середине 80-х годов устройств IDE (Integrated Drive Electronics — устройство со встроенным контроллером) стал встраиваться в материнскую плату1. Однако схема с вызовами системы BIOS не изменилась, поскольку необходимо было обеспечить совместимость с более старыми версиями. Обращение к секторам производилось по номерам головки, цилиндра и сектора, причем головки и цилиндры нумеровались с 0, а секторы — с 1. Вероятно, такая ситуация сложилась из-за ошибки одного из программистов BIOS, который писал свой шедевр на ассемблере 8088.

Имея 4 бит для номера головки, 6 бит для сектора и 10 бит для цилиндра, диск мог содержать максимум 16 головок, 63 сектора и 1024 цилиндра, то есть всего 1 032 192 сектора. Емкость такого диска составляла 504 Мбайт, и в те времена эта цифра считалась огромной (а вы бы стали сегодня осыпать упреками новую машину, неспособную манипулировать дисками объемом более 1000 Тбайт?).

Вскоре появились диски объемом более 504 Мбайт, но у них была другая геометрия (4 головки, 32 сектора, 2000 цилиндров). Операционная система не могла обращаться к ним из-за того, что схема вызовов BIOS оставалась неизменной (требование совместимости). В результате контроллеры начали выдавать фиктивную информацию — они «притворялись», что геометрия диска соответствует указанной в BIOS, тогда как в действительности виртуальная геометрия просто накладывалась на реальную. Хотя этот метод работал, он затруднял работу операционных систем, которые размещали данные на диске определенным образом для сокращения времени поиска.

В конце концов на смену IDE-дискам пришли устройства EIDE (Extended IDE — усовершенствованные устройства со встроенным контроллером), поддерживающие дополнительную схему адресации LBA (Logical Block Addressing - линейная адресация блоков). При линейной адресации секторы просто нумеруются от 0 до 228 — 1. Хотя контроллеру приходится преобразовывать LBA-адреса в адреса головки, сектора и цилиндра, зато объем диска может превышать 504 Мбайт. Однако, к сожалению, в результате родилось новое ограничение на уровне 228  29 байт (128 Гбайт). В 1994 году, когда принимался стандарт EIDE, никому и в голову не приходило, что через некоторое время появятся диски такой емкости. Вообще, комитеты по стандартизации, подобно политикам, зачастую предпочитают откладывать решение проблем, оставляя их своим преемникам. EIDE-диски и контроллеры имеют и другие усовершенствования. Например,

они способны контролировать 4 диска (за счет двух каналов, к каждому из которых можно подключить первичный и вторичный диски), у них более высокая скорость передачи данных (16,67 вместо 4 Мбайт/с), они могут управлять приводами CD-ROM и DVD. Стандарт EIDE совершенствовался вместе с развитием технологического прогресса, но тем не менее его преемника назвали ATA-3 (AT Attachment), что выглядело как намек на системы IBM PC/AT (сокращение AT, образованное от словосочетания Advanced Technology — «прогрессивная технология», в этом контексте относилось к прогрессивному на тот момент 16-разрядному процессору с тактовой частотой 8 МГц.) Следующая версия стандарта, названная ATAPI-4 (ATA Packet Interface — пакетный интерфейс ATA), отличалась скоростью 33 Мбит/с. В версии ATAPI-5 она достигла 66 Мбит/с. Поскольку ограничение в 128 Гбайт, установленное 28-разрядными линейными адресами, становилось все более болезненным, в стандарте ATAPI-6 размер LBA-адреса был увеличен до 48 бит. Лимит этого стандарта — 248  29 (128 Пбайт). Если емкость дисков будет ежегодно возрастать на 50 %, 48-разрядные LBA-адреса останутся актуальными приблизительно до 2035 года. Скорее всего, следующим шагом будет увеличение размера LBA- адреса до 64 бит. В стандарте ATAPI-6 скорость передачи данных удалось довести до 100 Мбит/с. Кроме того, впервые было уделено внимание проблеме шума.

Настоящий прорыв был совершен в стандарте ATAPI-7. Вместо расширения разъема диска (и, соответственно, скорости передачи данных) появилась спецификация последовательного интерфейса ATA (Serial ATA, SATA), позволившего передавать через 7-контактный разъем информацию на скоростях от 150 Мбит/с (со временем скорость увеличится до 1,5 Гбит/с). Замена 80-проводного плоского кабеля круглым кабелем диаметром в несколько миллиметров улучшила вентиляцию системного блока. Кроме того, при отправке сигналов через интерфейс SATA потребляется всего 0,5 В (в сравнении с 5 В по стандарту ATAPI-6), вследствие чего уменьшается общий уровень энергопотребления. Скорее всего, в течение нескольких лет на стандарт SATA будут переведены все компьютеры. В пользу этого варианта развития событий говорит тот факт, что проблема энергопотребления становится все более актуальной — как для информационных центров, которые оснащаются мощными дисковыми фермами, так и для ноутбуков с ограниченными по емкости источниками питания [Gurumurthi et al., 2003].