Аверянов Современная информатика 2011

1)пиковая оценка, или регистр-регистр (R-R), – предельная производительность ЦП, не учитывающая время обращения к ОП;

2)номинальная оценка (с учетом времени обращения к ОП

(ЦП + ОП));

3)системная оценка (дополнительно учитывающая системное программное обеспечение, позволяющее работать ЭВМ);

4)эксплуатационная оценка – скорость выполнения прикладных программ (в зависимости от области применения (расчетные, экономические или другие задачи) используют разнообразные статистики (смеси), учитывающие среднее количество машинных команд, используемых в тех или иных приложениях; время же выполнения команд точно измеряется).

При оценке быстродействия микропроцессоров используются следующие характеристики:

MHz (мегагерц) – миллион тактов задающего генератора в секунду;

MIPS (Mega Instruction Per Second) – миллион инструкций (мик-

рокоманд) в секунду;

MFLOPS* – миллион операций с плавающей точкой в секунду;

тесты Донгларра (решение СЛАУ**).

Устройства ввода-вывода (УВВ), или периферийные устрой-

ства (ПУ). Такие устройства компьютера используются для вводавывода, подготовки данных и запоминания больших объемов информации.

Отличительная особенность УВВ в том, что они в процессе работы преобразуют форму представления информации, не изменяя

еесодержания. Для пользователя эти устройства представляют информацию в алфавитно-цифровой и графической формах. Для обмена с остальными устройствами компьютера используется множество самых разнообразных кодов, наиболее популярны следующие: ASCII (American Standard Code for Information Interchange), отече-

*Flops (flouting point operation per second) – количество операций с плавающей точкой в секунду – единица измерения производительности суперкомпьютеров. МFlops (мегафлоп) – миллион операций с плавающей точкой в секунду, GFlops (гигафлоп) – миллиард операций, ТFlops (терафлоп) – триллион операций. Реальная производительность самого мощного суперкомпьютера 2005 г. превысила 136 ТFlops, а в 2004 г. этот показатель составлял 35 ТFlops.

**СЛАУ – системы линейных алгебраических уравнений.

51

ственный аналог которого – КОИ-8 – имеет восемь разрядов, семь из них значащие и один для проверки четности, применяется для работы устройств, подключаемых с помощью стандартных теле-

графно-телефонных линий; EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code), отечественный аналог ДКОИ – расширенный двоично-кодированный десятичный код для обмена информацией. Девятиразрядный (восемь значащих разрядов) код, применяемый фирмой IBM, как правило, предназначен для обмена информацией на магнитных носителях, в настоящий момент по большей части на мейнфреймах, работающих под управлением операционной системы z/OS. Увеличение международного сотрудничества вследствие бурного развития Интернета с конца 90-х годов привело к тому, что на данный момент повсеместно применяется кодировка Unicode, включающая в себя символы практически всех письменных языков мира.

Быстрое совершенствование ЦП и ОП компьютера, уменьшение их размеров и постоянное снижение стоимости привели к возрастанию роли УВВ. Так, уже сейчас стоимость УВВ составляет большую часть стоимости компьютера, а их габаритные размеры определяют размеры компьютера. Среди очень большого разнообразия УВВ можно выделить следующие категории.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ). Основная, или оперативная, память имеет высокую стоимость и ограниченную емкость (в значительной степени из-за высокой стоимости). В то же время использование компьютеров становится все в большей степени связано с накоплением и обработкой больших объемов информации. Потребности прикладных задач многократно превышают технические возможности электронной ОП. Это и явилось одной из причин появления внешних запоминающих устройств большой емкости, которые в то же самое время являются устройствами ввода-вывода информации. В ходе вычислительного процесса ВЗУ осуществляют двухсторонний обмен информацией с ОП, поэтому для них используются те же принципы обмена данными, что и для других внешних устройств. При значительно меньшей удельной стоимости (хранение бита информации) ВЗУ обладают очень большой емкостью (до гига- и терабайт). Относительно низкая стоимость, энергонезависимость и ряд других достоинств значительно расширили сферу применения этих устройств и способство-

52

вали их широкому распространению. Они используются и как устройства для хранения общесистемного программного обеспечения, определяющего оперативную работу компьютера (в дисковых операционных системах), и как архивная память компьютеров длительного хранения, эпизодического использования, как личные архивы пользователей и т.п. При этом сами носители информации могут храниться независимо от компьютера и считываться на различных компьютерах, имеющих соответствующие УВВ.

В настоящее время в компьютерах различных типов в качестве ВЗУ большой емкости применяются четыре типа накопителей: магнитные, магнитно-оптические, оптические и электронные (флэш-память). Магнитные ВЗУ появились первыми и представляют устройства с записью информации на подвижный магнитный носитель (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Принцип записи на магнитный накопитель

53

Магнитное запоминание данных осуществляется намагничиванием определенных зон рабочего слоя на движущемся диске или ленте. Эти зоны намагничиваются в одном из двух противоположных направлений при помощи электромагнитной головки, состоящей из легко намагничиваемого сердечника с обмоткой из проводника (см. рис. 2.6, а). Когда по обмотке протекает ток, в сердечнике возникает магнитный поток. В зазоре сердечника силовые линии магнитного потока выходят за его границы и намагничивают проходящий под головкой магнитный материал. Если направление тока меняется на противоположное, ориентация намагниченности в рабочем слое также меняется на обратную. Данные, записанные таким образом, могут быть считаны, поскольку магнитное поле зон намагниченности простирается за пределы поверхности носителя. При движении носителя сердечник головки пронизывается изменяющимся магнитным потоком, который, в соответствии с законом электромагнитной индукции (Фарадея), индуцирует ток в обмотке (см. рис. 2.6, б). Если внимательнее приглядеться к зонам намагниченности и создаваемым ими полям, то видно, что поля в действительности начинаются и заканчиваются в промежутках между этими зонами, т.е. в переходных областях. Поскольку поля препятствуют намагничиванию среды, их называют размагничивающими.

К накопителям этого типа относят накопители на магнитной ленте (НМЛ), накопители на магнитных дисках (НМД) и накопители на магнитных барабанах (НМБ).

1. НМЛ – накопитель на магнитной ленте, построенный по тем же принципам, что и обычный бытовой магнитофон, вошел первым в практику использования как ВЗУ компьютера и относится к накопителям с последовательным доступом. Имеет самую низкую стоимость хранения бита информации, высокую надежность, удобен в эксплуатации. Однако НМЛ имеет очень большое время доступа к необходимой информации, так как для ее поиска необходим последовательный просмотр иногда всей ленты. Для больших магнитофонов время доступа может составлять 4 – 150 с. За время существования НМЛ применялись накопители, использующие два типа магнитной ленты:

1) для больших и малых компьютеров – обычно НМЛ с шириной ленты 12,7 мм;

54

2) в персональных компьютерах – накопители на компакткассетах (стримеры), в которых удалось добиться значительного увеличения плотности записи, как правило, путем отказа от стартстопного режима работы и перехода к режиму «бегущей» (stream) ленты.

Такой режим хорошо согласуется с выгрузкой содержимого диска большей емкости с целью резервного копирования информации, расположенной на диске. По состоянию на 2010 г. фирмами IBM и FujiFilm анонсированы кассеты емкостью 35 терабайт.

Для первого типа магнитной ленты информация записывается на девяти дорожках, восемь из которых являлись информационными (девятая использовался для проверки четности). Длина ленты зависела от применяемых кассет и ее толщины и могла достигать более 1000 м, емкость более 100 Мбайт. В настоящее время такие НМЛ не используются.

Несмотря на обилие устройств хранения всевозможных типов, ленточные накопители в качестве устройств для резервного копирования сохраняют и даже упрочили свои позиции благодаря высокой надежности, скорости и низкой стоимости единицы информации.

2. НМД – накопители на магнитных дисках. В настоящее время наиболее популярны НМД, которые имеют большую емкость, малое время доступа (от 100 до 10 мс и менее) и невысокую стоимость хранения бита информации. НМД относятся к устройствам с прямым доступом, поскольку время поиска информации практически не зависит от его местонахождения на носителе.

Магнитный диск напоминает грампластинку с нанесенным на нее магнитным материалом. Запись или считывание информации производится по кольцевым или спиральным дорожкам с помощью перемещающихся головок (рис. 2.7).

Для увеличения емкости отдельные диски собираются в пакеты, в которых несколько металлических дисков (изготовленных из легких сплавов) устанавливаются на общую ось. Общий блок головок обеспечивает считывание информации с каждой из поверхностей. Существуют диски с постоянным (не перемещаемым) блоком головок над каждой из дорожек, они обладают очень малым временем доступа. Различают накопители на жестких магнитных дисках

55

(НЖМД – HDD*) и накопители на гибких магнитных дисках

(НГМД – FDD**).

Рис. 2.7. Кинематическая схема накопителя на магнитном диске: 1 – диски, 2 – вал, 3 – магнитные головки, 4 – сервопривод

2а. НЖМД – накопители на жестких магнитных дисках имеют металлическую основу, вращаются с высокой скоростью, их считывающие головки находятся на расстоянии десятых долей микрометра от поверхности диска. Они обладают малым временем доступа, большой емкостью и высокой стоимостью. Поэтому такие диски

*HDD – Hard Disk Drive.

**FDD – Floppy (Flexible) Disk Drive.

56

обычно используются как системные, расширяющие возможности ОП для обеспечения работы операционной системы ее хранения и загрузки, а также для использования в различных прикладных программах. Наиболее популярными в последнее время стали так называемые винчестерские диски (название дисков связано с тем, что имелась некоторая аналогия в параметрах дисков с цифровыми параметрами оружия, выпускаемого известной американской фирмой). В этих устройствах за счет герметизации магнитного носителя, совершенствования считывающих головок магнитной ориентации частиц оксида вдоль дорожек и т.п. удалось, повысив плотность записи и уменьшив расстояние между дорожками, значительно увеличить емкость диска, а использование общего блока головок позволило сократить время доступа к информации.

Первый НЖМД был разработан на фирме IBM в 1956 г. Его размер (привод) составлял около двух бытовых холодильников, стоимость 150 тыс. дол., имел 50 дисковых дюралевых пластин с нанесенным слоем ферромагнетика, диаметром 64 см, скорость вращения 1200 об./мин, емкость 5 Мбайт, а время доступа – 1 с. К 2000 г. НЖМД стоимостью 150 дол. имел емкость более чем в 16х103 раз, время доступа уменьшилось более чем в 100 раз, стоимость на единицу емкости (1 Мбайт) уменьшилось в 10 млн раз. Плотность записи растет, перекрывая даже известный закон Мура (для электронных схем), удваиваясь каждый год, несмотря на предсказываемый, так называемый сверхпарамагнитный предел, когда размеры одного магнитного домена на поверхности дисковых пластин, направление намагниченности которого регистрируется как один бит, станут настолько малыми, что тепловой энергии атомов (при комнатной температуре) будет достаточно, чтобы изменить его направление.

Любой современный НЖМД состоит из четырех основных частей:

носителя; головки чтения-записи; позиционера; контроллера.

Носитель – пакет дисковых пластин, вращающихся на одной оси, на смену дюралюминиевым пластинам (дискам) пришли диски из керамики и стекла. На поверхность диска наносится слой ферромагнетика (в современных дисках – оксид хрома), покрытый сверху

57

тонким слоем алмазоподобного графита (для защиты от механических повреждений). Адресация дисков осуществляется следующим образом – номер диска, цилиндр (набор концентрических дорожек, расположенных на одинаковом удалении от центра вращения), дорожка, сектор (кластер). В современных дисках применяется зоннобитовая запись, имеющая различное количество секторов на дорожках с различным удалением от центра.

Благодаря аэродинамическому эффекту головка чтения-записи «летит» над поверхностью диска под воздействием потока предварительно очищенного воздуха. У первых винчестерских дисков расстояние между поверхностью диска и головкой равнялось 0,5 мкм, у современных дисков (по состоянию на 2010 г.) оно достигает 0,01 мкм (что естественно повышает плотность записи и емкость дисков). На смену ферритовым головкам пришли композитные, магниторезистивные, тонкопленочные.

Позиционер – устройство, наводящее головку на нужную дорожку. Существует два варианта привода – поворотный и линейный, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки. В обоих случаях привод осуществляется с помощью соленоидов.

Контроллер обеспечивает согласованное управление всеми элементами диска и передачу данных между компьютером и дисками (как правило, на базе микропроцессоров).

Накопители на жестких магнитных дисках применяются во всех используемых в настоящее время типах компьютеров и в зависимости от вида компьютера различаются:

по типу интерфейса – для персональных компьютеров, для серверов, для мейнфреймов и т.д.;

по типу размера накопителей – 3,5 дюйма для настольных систем, 2,5 дюйма для ноутбуков и других переносных систем;

по скорости вращения шпинделя: 15000, 10000, 7200, 5400 и 4200 об./мин.

Следует учитывать, что винчестер – устройство нежное и очень ненадежное (хотя определенные технологические успехи в этом направлении имеются). В то же время в ряде случаев информация, а не «железо» является наиболее важным ресурсом внешнего запоминающего устройства.

В связи с этим разработчики винчестеров предпринимают ряд решений, повышающих надежность хранения данных. Так, компа-

58

ния Western Digital представила технологию в рамках спецификации

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

нология, принятая всеми ведущими производителями персональных компьютеров. Она предназначена для предотвращения потери информации путем предсказания возможности выхода из строя жестких дисков на основании результатов внутреннего тестирования состояния диска, а также выявления и восстановления информации в проблемных секторах. Происходит поиск поврежденных участков диска и перенесение информации в специально отведенные области.

Еще более кардинальным решением повышения надежности хранения информации является разработка так называемых RAID-

массивов (Redundant Array of Inexpensive Device – избыточные мас-

сивы недорогих устройств). Данная технология позволяет распределить данные по нескольким носителям. Это совокупность из нескольких, обычно недорогих жестких дисков, управляемых программно или специальным контроллером таким образом, что результат выглядит как одно устройство, обладающее всеми необходимыми свойствами – высокой надежностью и скоростью, а также большой емкостью.

Все описываемые далее накопители относятся к устройствам хранения со сменными носителями (наряду с ленточными носителями – стримерами).

Этот вид накопителей используется для решения трех классов задач, предъявляющих к ним довольно сильно различающиеся требования. Во-первых, это публикация и распространение программного обеспечения, данных и мультимедиа – контента их изготовителями (объем которых постоянно растет). Здесь на первый план выходит совместимость носителей данных с наиболее распространенными на сегодняшний день накопителями. Во-вторых, это архивирование и резервное копирование информации. Главное требование в этом классе задач – максимальная емкость носителя, его надежность и долговечность, минимальная стоимость хранения единицы информации, максимальная производительность. В-третьих, это перенос информации между компьютерами, в частности обмен ею между пользователями. Основные требования для этого применения – дешевизна носителей и максимальная скорость записи и чтения.

2б. НГМД (FDD) (накопители на гибких магнитных дисках или флоппи-диски) – накопители на магнитной основе, появились в свя-

59

зи с распространением персональных компьютеров. Они обладают небольшой емкостью и довольно большим временем доступа. Однако их низкая стоимость и отсутствие жестких эксплуатационных требований при использовании и хранении дискет обеспечивали этому виду дисковой памяти высокую популярность у пользователей. Этот вид носителей применялся для хранения личных архивов пользователей, очень удобен для обмена как прикладными, так и системными программами небольшого объема. В настоящее время до сих пор используются дискеты диаметром 3,5 дюйма (89 мм), емкость диска 1,44 Мбайт, разработанные Sony в 1980 г. В конце 90-х годов получили широкое распространение так называемые ZIPдискеты объемом 100 и 250 Мбайт. С появлением USB Flash-брелков дискеты были вытеснены с рынка, и в данный момент практически не применяются. У накопителях на магнитных барабанах была ограниченная область применения (в суперкомпьютерах), хотя и имелись сравнимые с жесткими дисками характеристики.

3. Оптические и магнитооптические накопители. Один из главных недостатков НЖМД, являющегося на сегодняшний день основным системным ВЗУ, – это низкая надежность к внешним механическим воздействиям (ввиду очень малого расстояния между считывающей головкой и поверхностью диска). В связи с этим в последнее десятилетие активно развиваются новые технологии, которые связаны с применением оптических элементов. Ближе всего к традиционным НЖМД приближаются магнитооптические устройства (рис. 2.8).

3а. Магнитооптические (МО) накопители. В магнитооптиче-

ском устройстве для чтения и записи данных применяется лазер. При записи лазер разогревает маленькую зону носителя, с ростом температуры коэрцитивная сила материала падает, для изменения направления намагниченности соответствующий участок диска должен быть нагрет до точки Кюри (около 200 °С). При чтении данных луч лазера переключается на меньшую мощность и поляризуется (эффект Керра). Поскольку плоскость поляризации поворачивается при отражении луча от намагниченной среды, второй поляризующий фильтр (называемый анализатором) может преобразовать изменение интенсивности светового луча, которое в свою очередь фиксируется фотодетектором.

60