ЭВМ и ПУ. Лекция 08

Лекция 8

ПЕРИФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА

1.ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВАХ

Всостав современных ЭВМ и систем входят многочисленные и разнообразные по выполняемым функциям, принципам действия и характеристикам ПУ, которых

по их назначению можно разделить на следующие группы:

-внешние запоминающие устройства (ВЗУ);

-диалоговые средства пользователя;

-устройства ввода информации;

-устройства вывода информации;

-средства связи и телекоммуникации;

ВЗУ используется для долговременного хранения информации. К наиболее распространённым ВЗУ можно отнести накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках. Назначение этих накопителей – хранение больших объёмов информации, записи и выдачи оперативной информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД и НГМД лишь конструктивно объёмами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации. В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках (CD - ROM), магнитооптические носители, полупроводниковые носители и др. Основная характеристика накопителя информации: плотность записи – линейная, поверхностная или объёмная – определяет скорость записи/чтения, стоимость хранения единицы информации (байта, бита).

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), реже – принтеры с клавиатурой и устройства речевого ввода/вывода информации. Устройства речевого вывода – различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки. Устройства речевого ввода – различные микрофонные акустические системы со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и кодировать.

К устройствам ввода информации относятся:

-клавиатура – устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ЭВМ

-графические планшеты (диджитайзеры) – устройства ручного ввода графи-

ческой информации путём перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ЭВМ;

-сканеры (читающие автоматы) - для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей;

-манипуляторы (устройства указания): джойстик - рычаг, мышь, трекбол -шар

воправе, световое перо и др. - для ввода графической информации на экран дис-

1

плея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;

-сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

Кустройствам вывода информации относятся:

-принтеры - печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель;

-графопостроители (плоттеры) - для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель; плоттеры бывают век-

торные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: термографические, электростатические; струйные и лазерные. По конструкции плоттеры подразделяются на планшетные и барабанные;

-устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами

идругими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, циф- ро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК

к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, "стыки", мультиплексоры передачи данных, модемы).

Общей характеристикой для всех ПУ является скорость, с которой устройство может принимать или выдавать данные. Большинство ПУ имеют электромеханические узлы, скорость работы которых значительно ниже работы электронных устройств ЭВМ.

ПУ различают по реализуемому в них синхронному или асинхронному режиму передачи (приёма) данных. При синхронном режиме передача данных производится в определённом темпе, который задаётся рабочей скоростью движения носителя информации, например магнитной ленты. При асинхронном режиме передача данных может происходить в свободном темпе с остановкой после передачи любого байта информации.

2. ВНЕШНИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

2.1. Классификация и характеристики ВЗУ

Иерархически организуемая память ЭВМ наряду с основной (оперативной памятью высокого обращения) содержит внешнюю память, намного медленнее работающую, но способную хранить большое количество необходимой информации.

Внешняя память состоит из нескольких ВЗУ, в качестве которых в современных ЭВМ используются, главным образом, электромеханические ЗУ с накопителем информации в виде движущейся поверхности, покрытой тонким слоем магнитного материала. Внешние ЗУ являются устройствами с произвольным обращением, допускающими многократное считывание информации и запись новой информации на место ранее записанной.

Под накопителем информации понимается само устройство записи, хранения и воспроизведения информации, а носитель информации – предмет, на который производится запись информации (диск, лента, твёрдотельный носитель).

Классификация устройств хранения информации:

2

1.По способу хранения информации – магнитоэлектрические, оптические, магнитооптические и др.

2.По виду носителя информации – накопители на гибких и жестких

магнитных дисках, оптических и магнитооптических дисках, магнитной ленте, твёрдотельные элементы памяти.

3.По способу организации доступа к информации – накопители прямого, последовательного доступа.

4.По размеру используемого носителя.

5.По типу устройства хранения информации – встраиваемые (внут-

ренние), внешние, автономные, мобильные и др.

Рисунок 2.1. Классификация накопителей информации

Одной из основных характеристик ВЗУ является ёмкость хранимой информации или ёмкость ВЗУ, обычно измеряемая в байтах.

Обращение к ВЗУ в общем случае предполагает последовательное выполнение двух процессов:

а) доступа к ВЗУ – подведение головки к участку носителя, или наоборот, участка носителя к головке;

б) считывания и передачи информации из ВЗУ в оперативную память (ОП) или передачи информации из ОП в ВЗУ и записи её на носитель.

Соответственно, быстродействие ВЗУ определяется двумя показателями – средним или максимальным временем доступа и скоростью передачи информации (скоростью записи-считывания).

Внешние ЗУ делятся на устройства с прямым и последовательным доступом. В устройствах с прямым доступом, к которым относятся устройства с магнитными дисками и барабанами, время доступа мало зависит от положения носителя относительно головки в момент инициирования обращения к ВЗУ, что достигается циклическим движением носителя с большой скоростью относительно головки. В устройствах с последовательным доступом (ВЗУ на магнитных лентах) для поиска нужного участка носителя требуется последовательный просмотр записанной на носитель информации.

Основные характеристики ВЗУ (ёмкость, скорость передачи данных и др.) прямо зависят от плотности записи данных на носитель. Поэтому одним из важнейших направлений улучшения характеристик ВЗУ является повышение плотности записи, что представляет собой сложную проблему, решение которой связано с

3

улучшением конструкции и технологии изготовления основных узлов ВЗУ, в первую очередь носителя и магнитных головок, создание новых методов магнитной записи и способов кодирования записываемой информации, обеспечивающих корректирование ошибок при считывании.

Поверхностная плотность записи информации может быть выражена форму-

лой

δρ=δl*δq,

где δl – продольная плотность записи, равная числу бит, записываемых на единицу длины дорожки;

δq – поперечная плотность записи, равная числу дорожек, приходящихся на единицу длины в направлении, перпендикулярном движению носителя.

Наибольшую плотность удаётся получить при контактной записи, когда магнитный носитель непосредственно соприкасается с головкой (стримеры и гибкие диски).

При контактной записи трение между магнитным носителем и головкой, вызывая их износ, ограничивает допустимую скорость носителя относительно головки. При этом скорость передачи информации увеличивается.

Для поддержания плотности записи на высоком уровне при бесконтактной записи стремятся работать с возможно меньшим зазором между головкой и носителем.

2.2. Физика процессов магнитной записи и воспроизведения информации

Впервые магнитная запись была применена при записи звука, т.е. аналоговой информации, и только в последствии была использована при цифровой записи. Цифровая магнитная запись производится на магниточувствительный материал. К таким материалам относятся некоторые разновидности оксидов железа, никель, кобальт, сплавы, магнитосплавы и микропорошковые магнитные материалы.

Магнитное покрытие очень тонкое, причем, чем тоньше покрытие, тем выше качество записи. Покрытие наносится на немагнитную основу, в качестве которой для магнитных лент и гибких дисков используются различные пластмассы, а для жестких дисков – алюминиевые круги.

Магнитное покрытие диска имеет доменную структуру, т.е. состоит из множества мельчайших частиц, намагниченных определённым образом.

Магнитный домен – микроскопическая однородно намагниченная область в ферромагнитных образцах, отделённая от соседних областей тонкими переходными слоями (доменными границами).

Под воздействием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля доменов ориентируются в соответствии с направлением магнитных силовых линий. После прекращения воздействия внешнего магнитного поля на поверхности домена образуются зоны остаточной намагниченности. Т.о. на диске сохраняется информация о действовавшем магнитном поле. Изменение направления тока записи вызывает соответствующее изменение направления магнитного потока в сердечнике головки, что приводит к появлению на поверхности носителя участков с противоположной ориентацией магнитных полей.

4

Зоны остаточной намагниченности, оказавшись во время вращения диска напротив зазора магнитной головки, наводят в ней при считывании электродвижущую силу (ЭДС). Изменение направления ЭДС в течение некоторого промежутка времени отождествляется с двоичной единицей, а отсутствие этого изменения – с нулём. Указанный промежуток времени называется битовым элементом.

Происходит ли смена направления магнитного потока от положительного к отрицательному или наоборот – это несущественно, имеет значение только сам факт его изменения. Напряженность магнитного поля, необходимая для перемагничивания магнитного материала, называется коэрцитивной силой (измеряется в эрстедах). Чем больше коэрцитивная сила, тем более сильное магнитное поле треб у- ется для перемагничивания материала.

Для записи информации на магнитную поверхность лент и дисков применяется один и тот же способ. Поверхность рассматривается как последовательность точечных позиций, каждая из которых ассоциируется с битом информации. Поскольку расположение этих позиций выбирается не точно, для записи требуются заранее нанесённые метки, которые помогают находить необходимые позиции записи. Чтобы нанести такие метки, диски должны быть предварительно отформатированы.

2.3. Методы кодирования информации

Головки дисковода могут реагировать только на изменения в магнитном состоянии среды. Т.о., каждый раз, когда головка дисковода походит над местом, в котором величина напряженности магнитного поля изменяется по направлению или величине, схемная часть получает сигнал, который она может однозначно выделить и произвести в ответ на него необходимые действия. Однако, если записать длинный участок, состоящий из магнитных нулей (или единиц), то прибор обнаружения данных не получит никаких сигналов об изменении состояния, и не сможет точно определить, сколько битов записано в этом поле. Поэтому, прежде чем записывать цифровые данные, их необходимо закодировать. Это означает, что вместо длительных неизмененных участков намагничивания на диске будут записываться постоянно меняющиеся сигналы, что позволит преодолеть ограничения, изначально присущие магнитным головкам.

Метод FM

В первых моделях накопителей на гибких магнитных дисках 5,25” информация записывалась с плотностью около 50 дорожек/дюйм и только на одной стороне диска. Использование при записи частотно-модулированных FM сигналов ограничивало общий объём диска (110кбайт).

Кодирование с применением FM сигналов принято называть кодированием с единичной плотностью. При записи с использованием этого метода в начале битовых элементов записываются биты синхронизации, а промежутках между ними – биты данных. Битовый элемент определяется как минимальный интервал времени между битами данных, получаемых при постоянной скорости вращения диска (300об/мин). В случае использования диска 5,25” каждый битовый элемент имеет

5

длительность 8мкс; бит данных записывается в середине битового элемента, через 4 мкс после бита синхронизации.

Рисунок. Кодирование FM методом

Наличие бит синхронизации является главным недостатком этого метода, т.к. почти половина полезной ёмкости диска расходуется на запись служебной информации.

Метод MFM (модифицированной частотной модуляции)

Этот метод позволяет вдвое увеличить продольную плотность записи. Длительность битового элемента сокращается до 4мкс, а биты синхронизации записываются лишь в том случае, если в предшествующем и текущем битовых элементах не были записаны биты данных.

Рисунок. Кодирование MFM методом.

Метод М2FM (миллеровской модифицированной частотной модуляции).

Этот метод позволяет еще больше снизить минимально необходимое число изменения направления тока на единицу длины дорожки – в случае длинной последовательности нулей происходит всего одна смена направления тока на каждые два битовых элемента. Такое уменьшение числа импульсов затрудняет осуществление синхронизации и не приводит к значительному увеличению ёмкости диска или скорости передачи данных, поэтому метод М2FM в настоящее время не используется.

Метод RLL.

Одним из способов повышения информационной ёмкости диска является запись и считывание только информационных данных. Это достигается в методе записи с групповым кодированием RLL. Использование метода RLL позволяет увеличить ёмкость диска на 170 кбайт по сравнению с ёмкостью при записи методом

MFM.

Метод RLL основан на следующем принципе: каждый байт поступающих данных делится на два полубайта, которые кодируются специальным пятиразрядным кодом, отличающимся тем, что каждое кодовое слово содержит по меньшей мере

6

одну двоичную единицу. При считывании каждые две пятиразрядные кодовые группы декодируются и полученные полубайты объединяются в байты.

При использовании метода RLL скорость передачи данных возрастает с 250 до 380кбайт/с, а длительность битового элемента уменьшается до 2,6мкс. Кодированные этим способом данные могут записываться с большей продольной плотностью, чем при других методах кодирования. На каждой дорожке можно записать 7,6кбайт данных, а при использовании метода MFM – 6,25кбайт.

Все гибкие дисководы используют схему кодирования MFM. Изготовители жестких дисков используют различные модификации RLL кодирования. (2,7 RLL)

2.4.ВЗУ на магнитных дисках

2.4.1.Накопители на гибких магнитных дисках

Дисководы (Floppy Disk Drive, FDD) являются старейшими ПУ РС. Конструктивно FDD состоит из большого числа механических элементов и малого числа электронных, поэтому для надёжной работы дисковода в значительной степени необходима устойчивая работа механического привода.

В дисководе имеется четыре основных элемента:

-рабочий двигатель;

-рабочие головки;

-шаговые двигатели;

-управляющая электроника.

Двигатель включается только тогда, когда в дисковод вставлена дискета. Он обеспечивает постоянную скорость вращения дискеты (для 3,5”FDD – 300 об/мин). Для запуска двигателю необходимо в среднем 400мс.

Дисковод оснащается двумя комбинированными головками, которые располагаются над рабочей поверхностью дискеты. Т.к. обычно дискеты являются двусторонними, т.е. имеют две рабочие поверхности, то одна головка предназначена для верхней, а другая – для нижней поверхности диска.

Позиционирование головок выполняется при помощи двух двигателей. Они издают характерный звук при включении ЭВМ – перемещают головки для проверки работоспособности привода.

Электронные схемы дисковода чаще всего размещается с его нижней стороны. Они выполняют функции передачи сигналов к контролёру, т.е. отвечают за преобразование информации, которую считывают или записывают головки.

В качестве носители информации для приводов FDD служит дискета. Дискета состоит из двух частей: магнитного диска и защитного конверта, в который этот диск помещён.

На заре компьютерной эры применялись дискеты формата 8 дюймов (203мм), ёмкость такого диска была 1Мбайт. В настоящее время существует только два формата дискет: 5,25”(133мм) и 3,5”.

Дискеты размером 5,25” имеют два больших недостатка:

-их легко повредить, что приводит к потере информации;

-они имеют небольшую ёмкость (360кбайт).

Поэтому дискеты такого формата практически не используются.

7

Более подробно остановимся на рассмотрении дискеты 3,5”.

Трёхдюймовая дискета помещена в жесткий конверт, который хорошо защищает магнитный диск. Вырез в корпусе для доступа головок чтения/записи закрыт металлической или пластиковой задвижкой, что защищает рабочую поверхность диска от попадания пыли. Эта задвижка открывается автоматически только в том случае, если дискета вставлена в дисковод.

Один угол дискеты срезан таким образом, что диск начинает вращаться только тогда, когда он правильно вставлен в дисковод.

Трёхдюймовая дискета снабжена отверстием со скользящей пластиковой задвижкой. Если задвижка закрывает отверстие, то возможно чтение, запись и форматирование диска; если не закрывает – дискета защищена от записи.

Повышение износостойкости центрального кольца магнитного диска, который служит для обеспечения более точного позиционирования гибкого диска на шпинделе дисковода, достигается за счет использования металлического кольца.

На трёхдюймовой дискете можно хранить 1,44Мб или 2,88Мб информации. Это является результатом использования улучшенного магнитного покрытия, улучшения конструкции и совершенствования способа записи данных на диск.

Трёхдюймовые дискеты со сверхвысокой плотностью записи, обеспечивающие хранение информации до 2,88Мб, требуют использования специального дисковода. Т.к. для записи на ее магнитное покрытие требуется более сильное магнитное поле, а при чтении информации нужно использовать специальную схемотехнику для обработки нестандартных сигналов, поступающих от ее головки чтения. Основу магнитного слоя таких дисков составляет феррит бария, а само покрытие – толще. Это позволяет использовать метод вертикальной записи, при которой магнитные домены оказываются ориентированными в вертикальной, а не в горизонтальной плоскости. Они располагаются компактно, вследствие чего достигается более высокая плотность записи.

Логическая структура дискеты

Для записи и чтения информации необходимо разбиение диска на определенные участки, то есть нужно создать логическую структуру.

На только что изготовленной дискете ничего не хранится. DOS не может использовать такой диск. Прежде всего, следует произвести две операции. Первая из них – физическое форматирования диска; вторая – логическое форматирование.

Первой операцией, которую необходимо провести на новом диске, является операция разметки, выполняемая посредством записи «пустых» секторов на все места, куда предполагается записывать информацию. Совокупность всех секторов, расположенных на одинаковом расстоянии от оси вращения диска, представляет собой дорожку, или трек. Дорожки представляют собой концентрические кольца. Число секторов на дорожке меняется в зависимости от емкости диска.

Количество байт, которое может быть записано в сектор, произвольно. Для DOS эта величина составляет 512. Емкость дискеты вычисляется при помощи следующей формулы:

Емкость = число сторон * дорожек на стороне * секторов на дорожке * байтов в секторе.

8

Для дискеты 3,5 формула имеет вид:

1474560 байт=2*80*18*512.

Второй шаг в подготовке дискеты заключается в ее логическом форматировании, которое заключается в записи определенной информации, необходимой операционной системе для работы с этим диском, в некоторые из созданных на пред ы- дущем этапе секторов. При логическом разбиении дисков ОС разделяет их на две части:

-системная область;

-область данных.

Всистемной области выделяют: 1 – раздел загрузки;

2 – сведения о распределении дискового пространства;

3 – раздел корневого каталога;

4 – объем диска не затронутый логическим форматированием;

5 – сектор загрузки ОС;

6 – резервные сектора;

7 – корневой каталог.

Блок начальной загрузки

В самом первом секторе любого диска (гибкого или жесткого) любая операционная система хранит блок начальной загрузки. Каждый блок начальной загрузки содержит небольшую таблицу данных, в которой хранится информация о размере данного дискового устройства и некоторая другая информация. Большую часть блока начальной загрузки занимает программа, используемая для запуска компьютера, если этот диск является загрузочным или системным.

Таблица данных блока начальной загрузки ОС, называемая также блоком параметров BIOS, содержит существенно важную информацию об этом диске, необходимую ОС. Эта информация включает в себя число байт в секторе, общее кол и- чество секторов на диске, число копий FAT, количество секторов в FAT, колич е- ство секторов в корневом каталоге, а также некоторые другие параметры этого диска. Таблица содержит информацию о том, сколько места остается на диске для хранения данных.

Область данных

Область данных представляет собой то место, где ОС хранит данные пользователя. При обмене данными с диском лучше, чтобы операции чтения/записи выполнялись с достаточно большими фрагментами. И поскольку такой способ существенно повышает эффективность работы DOS, каждые 512 байт данных объединяются в пакет, называемый блоком и посылаются одновременно. DOS использует логические номера секторов для адресации любой информации на диске. DOS начинает нумерацию логических секторов на дисковом устройстве с единицы. Однако, на другом уровне, при адресации файлов, записанных на диск, DOS использует другую стратегию. В этом случае используется другой, иногда, больший блок данных, называемый кластером. Кластер представляет собой объединение несколь-

9

ких секторов данных (которые фактически содержат последовательные блоки данных в отдельном файле). Кла стер является минимальной по размеру единицей логического пространства диска, которую DOS может отвести конкретному файлу для хранения данных.

Таблица размещения файлов (fat)

FAT является основной структурой, посредством которой ОС контролирует, кто и каким образом использует область данных логического диска. FAT представляет собой огромную таблицу чисел, каждое из которых является адресом отдельного кластера. Эти адреса присваиваются последовательно всем кластерам логического диска, начиная с номера 2, который присваивается первому кластеру, расположенному за корневым каталогом. В FAT каждому кластеру соответствует запись, в которой содержится информация для ОС о его текущем состоянии.

Если в FAT записана нулевая величина, то соответствующий кластер в настоящее время не используется и доступен. Если в записи содержится величина «конец файла» (EOF), то это значит, что данный кластер используется, и что это п о- следний кластер в последовательности кластеров данного файла. Третья предопределенная величина, которая может храниться в записи FAT, свидетельствует о том, что этот кластер «плохой», то есть не гарантирует надежного хранения информации. Любая другая величина в записи FAT означает, что данный кластер используется файлом для хранения информации и что продолжение данных этого файла содержится в другом кластере, адрес которого находится в данной записи FAT.

Файлы, записываемые в FAT, могут быть нефрагментированными и фрагментированными. В нефрагментированных файлах данные располагаются в последовательных кластерах. Содержимое фрагментированных файлов располагаются в кластерах, номера которых не образуют непрерывной последовательности.

Необходимо проводить дефрагментацию дисков для ускорения работы с ними. В зависимости от емкости диска длина элементов FAT составляет 12, 16 или 32 бит. Чем длиннее элемент FAT, тем за большим числом кластеров может сле-

дить ОС и, следовательно, работать с дисками большей емкости. В случае гибких дисков длина элементов FAT равна 12 битам, а для жестких дисков – 16 или 32.

Корневой каталог

Корневой каталог является частью системной области для всех форматов FAT, кроме FAT 32. Этот формат выводит корневой каталог из системной области и рассматривает его как простой подкаталог. Для каждого файла имеется элемент каталога, который содержит имя файла из восьми символов, трехсимвольное расширение имени файла, размер файла, а также информацию о дате и времени последнего изменения файла.

На больших жестких дисках хранится множество файлов. Их слишком много для того, чтобы можно было разобраться в их именах, если бы они все были записаны в одном месте. Поэтому ввели понятие подкаталога. Понятие охватывает файлы, на которые имеются ссылки в записях корневого каталога (или других каталогов), но их содержимое рассматривается как список дополнительного каталога файлов.

Кроме того в элементе каталога записываются номер начального кластера файла и атрибуты файла, которые применяются для регистрации характеристик файла.

10