ВС для ГОС (ПИ) / Орлов, Цилькер - Организация ЭВМ (2004)

2 8 6 Глава 5. Память

системы ВМ. Программный режим RAID предусмотрен, например, в Windows NT. Это дает возможность программного изменения уровня RAID, в зависимости от особенностей решаемой задачи. Хотя программный способ является наиболее дешевым, он не позволяет добиться высокого уровня производительности, характерного для аппаратурной реализации RAID.

Аппаратурная реализация RAID предполагает возложение всех или большей части функций по управлению массивом дисковых ЗУ на соответствующее оборудование, при этом возможны два подхода. Первый из них заключается в замене стандартных контроллеров дисковых ЗУ на специализированные, устанавливаемые на место стандартных. Базовая ВМ общается с контроллерами на уровне обычных команд ввода/вывода, а режим RAID обеспечивают контроллеры. Как и обычные, специализированные контроллеры/адаптеры ориентированы на определенный вид шины. Поскольку наиболее распространенной шиной для подключения дисковых ЗУ в настоящее время является шина SCSI, большинство производителей RAID-сис- тем ориентируют свои изделия на протокол SCSI, определяемый стандартами ANSI Х3.131 и ISО/IEC. При втором способе аппаратной реализации RAID-система выполняется как автономное устройство, объединяющее в одном корпусе массив дисков и контроллер. Контроллер содержит микропроцессор и работает под управлением собственной операционной системы, полностью реализующей различные RAID-режимы. Такая подсистема подключается к шине базовой ВМ или к ее каналу ввода/вывода как обычное дисковое ЗУ.

При аппаратной реализации RAID-систем обычно предусматривается возможность замены неисправных дисков без потери информации и без остановки работы. Кроме того, многие из таких систем позволяют разбивать отдельные диски на разделы, причем разные разделы дисков могут объединяться в соответствии с различными уровнями RAID.

Оптическая память

В 1983 году была представлена первая цифровая аудиосистема на базе компактдисков (CD — compact disk). Компакт-диск — это односторонний диск, способный хранить более чем 60-минутную аудиоинформацию. Громадный коммерческий успех CD способствовал развитию технологии дешевых оптических запоминающих устройств для ВМ. За последующие годы были созданы различные системы памяти на оптических дисках, три из которых в прогрессирующей степени приживаются в вычислительных машинах: CD-ROM, WARM и стираемые оптические диски.

CD-ROM

Для аудио компакт-дисков и CD-ROM используется идентичная технология. Основное отличие состоит в том, что проигрыватели CD-ROM более прочные и содержат устройства для исправления ошибок, обеспечивающие корректность передачи данных с диска в ВМ. Диск изготавливается из пластмассы, например поликарбоната, и покрыт окрашенным слоем с высокой отражающей способностью, обычно алюминием. Цифровая информация заносится в виде микроскопических углублений в отражающей поверхности. Запись информации производится с помощью сильно сфокусированного луча лазера высокой интенсивности. Так созда-

Внешняя память 2 8 9

Рисунок 5.49 иллюстрирует организацию информации на CD-ROM. Как уже отмечалось, данные расположены последовательно по спиралевидной дорожке. Для варианта с постоянной линейной скоростью произвольный доступ к информации становится более сложным.

В последнее время наметился переход к новому типу оптических дисков, так называемым DVD-дискам (Digital Video Data). DVD-диски состоят из двух слоев толщиной 0,6 мм, то есть имеют две рабочих поверхности, и обеспечивают хранение по 4,7 Гбайт на каждой. В DVD-технологии используется лазер с меньшей длиной волны (650 нм против 780 нм для стандартных CD-ROM), а также более изощренная схема коррекции. Все это позволяет увеличить число дорожек и повысить плотность записи. Кроме того, при записи применяется метод сжатия информации, известный как MPEG2.

WORM

Технология дисков WORM — дисков с однократной записью и многократным считыванием, была разработана для мелкосерийного производства оптических дисков. Такие диски предполагают ввод информации лучом относительно мощного лазера. При этом пользователь с помощью несколько более дорогого, чем CD-ROM, устройства может единожды записать информацию, а затем многократно ее считывать. Для обеспечения более быстрого доступа в устройстве поддерживается метод постоянной угловой скорости при относительном снижении емкости.

Типовая техника подготовки такого диска предполагает мощный лазер для создания на поверхности диска последовательности пузырьков. Для записи информации предварительно отформатированный пузырьками диск помещается в накопитель WORM, где имеется маломощной лазер, тепла от которого тем не менее достаточно для того, чтобы «взорвать» пузырек. В процессе операции считывания лазер в накопителе WORM освещает поверхность диска. Так как «взорванный» пузырек создает более высокий контраст, чем окружающая поверхность, его легко распознать с помощью простой электроники. Данный тип носителя привлекателен для архивного хранения документов и файлов.

EОD — оптические диски со стиранием

Среди многих рассматривавшихся технологий оптических дисков с возможностью многократной записи и перезаписи информации коммерчески приемлемой оказалась только магнитооптическая. В таких системах энергия лазерного луча используется совместно с магнитным полем. Запись и стирание информации происходят за счет реверсирования магнитных полюсов маленьких областей диска, покрытого магнитным материалом. Лазерный луч нагревает облучаемое пятно на поверхности, и в этот момент магнитное поле может изменить ориентацию магнитных полюсов на облучаемом участке. Поскольку процесс поляризации не вызывает физических изменений на диске, ему не страшны многократные повторения. При чтении направление магнитного поля можно определить по поляризации лазерного луча. Поляризованный свет, отраженный от определенного пятна, изменяет свой угол отражения в зависимости от характера намагниченности.

2 9 0 Глава 5. Память

Магнитные ленты

ЗУ на базе магнитных лент используются в основном для архивирования информации. Носителем служит тонкая полистироловая лента шириной от 0,38-2,54 см и толщиной около 0,025 мм, покрытая магнитным слоем. Лента наматывается на бобины различного диаметра. Данные записываются последовательно, байт за байтом, от начала ленты до ее конца. Время доступа к информации на магнитной ленте значительно больше, чем у ранее рассмотренных видов внешней памяти.

Обычно вдоль ленты располагается 9 дорожек, что позволяет записывать поперек ленты байт данных и бит паритета. Информация на ленте группируется в блоки — записи. Каждая запись отделяется от соседней межблочным промежутком, дающим возможность позиционирования головки считывания/записи на начало любого блока. Идентификация записи производится по полю заголовка, содержащемуся в каждой записи. Для указания начала и конца ленты используются физические маркеры в виде металлизированных полосок, наклеиваемых на магнитную ленту, или прозрачных участков на самой ленте. Известны также варианты маркирования начала и конца ленты путем записи на нее специальных кодов-индикаторов.

Вуниверсальных ВМ обычно применяются бобинные устройства с вакуумными системами стабилизации скорости перемещения ленты. В них скорость перемещения ленты составляет около 300 см/с, плотность записи — 4 Кбайт/см, а скорость передачи информации — 320 Кбайт/с. Типовая бобина содержит 730 м магнитной ленты.

ВЗУ на базе картриджей используются кассеты с двумя катушками, аналогичные стандартным аудиокассетам. Типовая ширина ленты — 8 мм. Наиболее распространенной формой таких ЗУ является DAT (Digital Audio Тape). Данные на ленту заносятся по диагонали, как это принято в видеокассетах. По размеру такой картридж примерно вдвое меньше, чем обычная компакт-кассета, и имеет толщину 3,81 мм. Каждый картридж позволяет хранить несколько гигабайтов данных. Время доступа к данным невелико (среднее между временами доступа к дискетам

ик жестким дискам). Скорость передачи информации выше, чему дискет, но ниже, чем у жестких дисков.

Вторым видом ЗУ на базе картриджей является устройство стандарта DDS (Digital Data Storage). Этот стандарт был разработан в 1989 году для удовлетворения требований к резервному копированию информации с жестких дисков в мощных серверах и многопользовательских системах. В сущности, это вариант DAT, обеспечивающий хранение 2 Гбайт данных при длине ленты 90 м. В более позднем варианте стандарта DDS-DC (Digital Data Storage — Data Compression) за счет применения методов сжатия информации емкость ленты увеличена до 8 Гбайт. Наконец, третий вид ЗУ на базе картриджей также предназначен для резервного копирования содержимого жестких дисков, но при меньших объемах такой информации. Этот тип ЗУ отвечает стандарту QIC (Quarter Inch Cartridge tape) и более известен под названием стример. Известны стримеры, обеспечивающие хранение от 15 до 525 Мбайт информации. В зависимости от информационной емкости

ифирмы-изготовителя изменяются и характеристики таких картриджей. Так, число дорожек может варьироваться в диапазоне от 4 до 28, длина ленты — от 36 до 300 м

ит. д.

2 9 2 Глава 5. Память

25.Каким образом в многопортовых ОЗУ разрешаются конфликты при одновременном доступе к памяти?

26.Какую функцию выполняет система семафоров в многопортовой памяти?

27.Для каких целей предназначена память типа FIFO?

28.Какая идея лежит в основе систем обнаружения и коррекции ошибок?

29.Какие ошибки может обнаруживать схема контроля по паритету?

30.От чего зависят возможности выявления и коррекции ошибок с использованием кода Хэмминга?

31.Поясните назначение и принцип формирования кода синдрома в системе коррекции ошибок.

32.Чем объясняется тенденция размещения стека в области старших адресов основной памяти?

33.Какая информация хранится в указателе стека?

34.Поясните назначение маски в ассоциативном запоминающем ЗУ.

35.Как реализуется запись новой информации в ассоциативное ЗУ?

36.Какие виды поиска можно осуществлять в ассоциативном ЗУ?

37.Поясните назначение и логику работы кэш-памяти.

38.Какие проблемы порождает включение в иерархию ЗУ кэш-памяти?

39.Чем обусловлено разнообразие методов отображения основной памяти на кэшпамять?

40.Какому требованию должен отвечать «идеальный» алгоритм замещения содержимого кэш-памяти?

41.Какими методами обеспечивается согласованность содержимого основной и кэш-памяти?

42.Чем обусловлено введение дополнительных уровней кэш-памяти?

43.Какие факторы влияют на выбор емкости кэш-памяти и размера блока?

44.Как соотносятся характеристики обычной и дисковой кэш-памяти?

45.Какими средствами обеспечивается виртуализация памяти?

46.Существует ли ограничение на размер виртуального пространства?

47.Что определяет объем страничной таблицы?

48.Какими приемами достигают сокращения объема страничных таблиц?

49.Какие алгоритмы замещения используются при загрузке в основную память новой виртуальной страницы?

50.Поясните назначение буфера быстрого преобразования адреса (TLB).

51.Чем мотивируется разбиение виртуальных секторов на страницы?

52.Какая часть виртуального адреса остается неизменной при его преобразовании в физический адрес?

53.Чем обусловлена необходимость защиты памяти?