Устройства ввода/вывода Основные типы устройств ввода/вывода

Как правило периферийные устройства компьютеров делятся на устройства ввода, устройства вывода и внешние запоминающие устройства (осуществляющие как ввод данных в машину, так и вывод данных из компьютера). Основной обобщающей характеристикой устройств ввода/вывода может служить скорость передачи данных (максимальная скорость, с которой данные могут передаваться между устройством ввода/вывода и основной памятью или процессором). На рис. 9.3. представлены основные устройства ввода/вывода, применяемые в современных компьютерах, а также указаны примерные скорости обмена данными, обеспечиваемые этими устройствами.

Рис. 9.3. Примеры устройств ввода/вывода

В рамках данного обзора мы рассмотрим наиболее быстрые из этих устройств: магнитные и магнитооптические диски, а также магнитные ленты.

Накопители на гибких магнитных дисках

Гибкие диски используются как долговременная сменная память компьютера. Конструктивно диски представляют собой тонкие пластинки диаметром 5.25 и 3.5 дюйма, изготовленные из лавсана, покрытые оксидом железа или сплавом кобальта (высокая плотность). Некоторые пластинки по краю внутреннего отверстия имеют кольцо жесткости, повышающее устойчивость диска к деформации при зажиме их внутри дисковода. Для защиты от пыли и касаний предметов пластинки помещают в пластмассовый чехол. В чехле диска на 5.25 имеются отверстия (рис. 4.1) для зажима механизма вращения диска (1) с кольцом жесткости (5), для контакта с магнитными головками (2), для фиксации начала дорожки (маркер) (3), для запрещения/разрешения записи (4). В диске на 3.5 чехол твердый, отверстие доступа к диску закрывает металлическая задвижка, предохраняющая пластину от повреждений.

Рис. 4.1. Гибкий диск

В рабочем режиме диск вращается электромотором с постоянной скоростью 300 или 360 (высокая плотность) оборотов в минуту. К отверстию в чехле (2) с двух сторон подводятся магнитные головки, которые последовательно осуществляют запись (считывание) информации на дорожки пластины. Головки могут перемещаться внутрь или к краю пластины дискретно при помощи шагового двигателя, фиксируясь на определенных номерах дорожек. Способ записи информации как на гибкий, так и на жесткий диски можно пояснить с помощью рис. 4.2. Дорожка диска двигается относительно магнитной головки (МГ) по часовой стрелке (НД). Магнитный материал (ММ) на определенном участке около зазора намагничивается полем, создаваемым катушкой записи. Величина поля определяется током записи I. Ток выбирается таким образом (I = Im), чтобы на поверхности диска под зазором оставалась остаточная намагниченность (ориентация магнитных доменов NS), оптимальная для длительного хранения и воспроизведения. При смене направления тока с +Im на (-Im) в катушке записи изменяется ориентация доменов в магнитном материале. Очевидно, что максимальная продольная плотность записи (ВРI) определяется минимальным размером участка L, который может обрабатывать накопитель без искажений. Так 3.5 НГМД имеют BPI = 17500 (1.44 Мб), а 5.25 - BPI = 9800 (1.2 Мб). На рис. 4.2, а показан пример записываемой последовательности 01001..., где за направление +Im принята запись логической единицы, а за (-Im) – запись нуля. При считывании информации намагниченные участки диска оказываются под зазором головки и магнитные силовые линии замыкаются через сердечник катушки в определённом направлении. В момент смены направлений этих линий t_сз (смена знака) в катушке считывания будет создаваться напряжение е считывания. Для повышения чувствительности головки считывания к наличию информации моменты подачи тока Im синхронизируют (меняют знак принудительно), устанавливая постоянные размеры L под каждый бит последовательности. А для получения высокой плотности записи BPI обрабатывают одновременно несколько битов входной последовательности и определенным образом ее перекодируют, размещая с учетом частоты синхронизации на тех же размерах дорожки более длинные входные последовательности закодированных нулей и единиц. Для перекодирования обычно используется метод ограничения длины "пробела" (RLL), в котором при кодировании оговаривается минимальное и максимальное количество битовых ячеек (без зон смены знака), которые можно расположить между двумя реально записанными зонами смены знака на диске.

Дальнейшему увеличению плотности способствовала технология PRML, при которой аналоговый сигнал с головки считывания преобразуется в цифровую последовательность. Последовательность затем разбивается на наборы данных, которые анализируются и корректируются с наименьшей вероятностью ошибки. Способ увеличения плотности BPI за счет уменьшения размеров единичных ячеек с горизонтальной намагниченностью (рис 4.2, а) имеет ограничения, при которых резко увеличивается вероятность их спонтанного размагничивания.

Новый способ увеличения плотности BPI, предложенный Fujitsu (рис 4.2, б), заключается в использовании дополнительного магнитного материала (ДММ) и вертикального намагничивания, он позволяет увеличить плотность записи в 8 раз.

а

Рис. 4.2. Схема записи/считывания информации на магнитный диск: а – фрагмент записываемой последовательности …01001…, б – схема вер-тикального намагничивания

При любом способе записи нумерация дорожек начинается с края и сверху пластины от нулевой до тридцать девятой или семьдесят девятой. Ширина дорожки зависит от радиальной плотности записи ТРI и составляет 0.33 мм при 360 Кб (ТРI=48 дорожек на дюйм и 40 дорожек на одну сторону) или 0.16 мм для дисков 1.2 Мб при TPI = 96 и высокой плотности записи. НГМД 3.5" емкостью 1.44 Мб имеют TPI = 135. Каждая дорожка разбивается на секторы. Секторы нумеруются по порядку 1, 2, 3... начиная с нулевой дорожки от маркера, в сторону противоположную вращению пластины (рис. 4.1). Программа FORMAT.COM размечает диск на необходимую плотность, число секторов и дорожек. Эта же программа контролирует исправность секторов и заносит характеристики форматирования диска в FAT в начальные секторы.

Режим форматирования и записи информации на диски с разной плотностью должен определяться типом дисковода и материалом покрытия пластины. Дискеты с обычным покрытием (SD) на 360 Кб и двойной плотности (DD) на 720 Кб используют режим напряженности магнитного поля для записи/стирания информации в области головки 300 эрстед, а дискеты с высокой плотностью (HD) – 600 эрстед. Причем дисководы с высокой плотностью на 1.2 Мб и 1.44 Мб используют другой способ записи – метод туннельного стирания, при котором запись осуществляется в виде полосок, а около них пространство размагничивается. Такой способ записи уменьшает влияние смежных дорожек друг на друга и позволяет увеличить поперечную плотность записи. Разный режим работы дисководов на 300 и 600 эрстед может способствовать ошибкам при форматировании, записи, хранении и чтении дискет. Основные характеристики накопителей на гибких дисках представлены в табл. 4.1. Все диски имеют 2 рабочие стороны, размер сектора 512 байт, 80 дорожек шириной 0.115, толщину магнитного слоя 1-2.5 мкм. Время доступа к данным в гибких дисководах зависит от способа вращения, записи и кодирования информации.

Таблица 4.1

Накопители на гибких дисках постоянно совершенствуются. Из-за большей надежности и компактности дискеты на 3.5 вытеснили дискеты 5.25. Был разработан новый стандарт для дискет размером 3.5 емкостью 2.88 Мб. Эти гибкие дискеты с повышенной точностью позиционирования головок емкостью 2.88 Мб называют ED-дискетами (Extra High Density). BIOS должен поддерживать обмен с этим НГМД. Запоминающая пластина в ED диске изготавливается из магнитного слоя феррита бария с ДММ. Это позволяет использовать метод вертикальной записи, при кото­ром магнитные домены оказываются ориентированными в вертикальной, а не в горизонтальной плоскости, чем достигается более высокая продольная плотность записи BPI.

Сменные накопители на магнитных дисках

Потребность перемещения больших объемов информации с одного ПК на другой и архивации данных привела к созданию мобильных внешних устройств хранения информации большого объёма. Благодаря развитию технологий и увеличению объемов информации на смену флоппи-диску пришли магнитные диски на сменных накопителях. На данный момент существуют несколько стандартов сменных накопителей на магнитных дисках.

Первым сменным накопителем класса емкости до 1 Гб стал 3.5" диск Zip емкостью 94 Мб (затем 250 Мб) американской компании Iomega, выпущенный в 1995 г. Он вращался со скоростью 3 000 об/мин и имел время доступа около 30 мс.

Принцип записи на магнитных дисках сменных накопителей отличается от флоппи-диска:

- увеличенной плотностью записи на диск;

- применением магниторезестивного эффекта;

- позиционированием головок считывания.

У сменного накопителя переносным является не только носитель инфор­мации, но и весь дисковод, который подключается к слоту в корпусе ПК. Одной из разновидностей сменных накопителей является LS-120 (LS – laser servo) фирмы Imation, использующий гибкие магнитные диски с емкостью дискет 120 Мб. В дисководе реализована так называемая флоптическая технология, которая осуществляет позиционирование головки чтения/записи на служебную дорожку с помощью лазера, а операции чтения и записи выполняются обычным магнитным способом. Эта технология позволила повысить плотность записи и получить большую емкость гибкой дискеты. В связи с этим появились такие накопители как SyQueat, Zip, Jaz, MO, ORB и др. Мобильный дисковод LS-120, помимо своих дискет емкостью 120 Мб, позволяет читать стандартные дискеты емкостью 1.44 Мб. Пре­имуществом дисковода LS-120 является высокая емкость дискеты (120 Мб) при достаточно низкой цене и высокая скорость чтения/записи (200 – 300 Кб/с) – в несколько раз выше, чем гибкого диска (0.06 Мб/с).

Дисковод высокой плотности HiFD, разработанный фирмами Sony и Fujitsu, – съемный накопитель, подключаемый к параллельному порту, рассчитанный на использование дисков размером 200 Мб. HiFD также поддерживает формат дискет 1.44 Мб и обеспечивает скорость чтения до 3.6 Мб/с.

Основные стандарты сменных накопителей на магнитных дисках емкостью свыше 1 Гб изготавливаются фирмами Iomega (накопитель Jazz 2 Гб) и Castlewood (накопитель Orb 2.2 Гб). В конструкции Jazz в качестве носи­теля используется жесткая дисковая пластина, а в Zip – гибкий диск. Емкость картриджа Zip составляет 100 Мб, Zip 250 Mb – 250 Мб, картриджей Jazz – 540 и 1070 Мб, а картриджа Jazz 2 Gb – 2 Гб.

Накопитель на сменных дисках Orb имеет сменный жесткий диск раз­мером 3.5, заключенный в картридж (магниторезистивные головки MR из особого магнитного материала). Он комплектуется сменными дисками емкостью 2.2 Гб.

Скорость вращения диска ровна 5 400 об/мин. Максимальная скорость передачи данных может достигать 12.2 Мб/с (2 Мб/с у накопителя с интерфейсом LPT).

Характеристики переносных магнитных накопителей приведены в табл. 4.2. Из таблицы видно, что время доступа к данным в них составляет менее 84 мс, они обладают значительной емкостью и позволяют архивировать данные или переносить их из одних ЭВМ в другие.

1.2. Накопители на магнитооптических дисках

Магнитооптические (МО) накопители являются одними из самых старейших представителей устройств со сменным носителем информации. Современные МО сочетают в себе большую емкость, высокую долговечность и надежность, возможность переносить данные, а также делать копии программ и операционных систем. Производителем и фактически монополистом на рынке МО накопителей является фирма Fujitsu.

Существуют 2 вида МО накопителей: 5.25 и 3.5 дюйма. МО диски 5.25 с двухсторонней записью изготавливаются емкостью 650 Мб, 1.3 Гб, 2.6 Гб и 4.6 Гб. МО диски односторонние 3.5 изготавливаются емкостью 128 Мб, 230 Мб, 540 Мб, 640 Мб и 1.3 Гб. Эти МО позволяют делать резервные копии не только с ПК, но и с небольших серверов. Наибольшее распространение получили современные МО накопители 3.5" емкостью 640 Мб и 1.3 Гб.

MO накопитель объединяет в себе магнитные и лазерные технологии. Во время процесса записи интенсивный лазерный луч фокусируется на диске, покрытом особым кристаллическим сплавом, который может сохранять магнитное поле. После нагревания сплава до критической температуры 145^ОС (точка Кюри) [14] кристаллы сплава становятся свободными и перемещаются под воздействием пишущей головки, которая изменяет намагниченность кристаллов сплава. Величина вертикальной намагниченности участка около 0.5 кв. микрона (участок намагничен – логическая "1") позволяет изменять направление поляризации (эффект Керра) или не изменять характеристики чтения отраженного маломощного лазерного луча (участок размагничен – логическая "0"). В процессе чтения/записи головки не соприкасаются с поверхностью носителя, что способствует надежности МО. К недостаткам МО накопителей следует отнести низкую скорость записи данных (из-за медленной скорости нагрева участков для записи), а также несовместимость с флоппи-дисководом.

Характеристики МО накопителей MCD3130SS Fujitsu3.5" и Т6-5200 Maxoptix 5.25" представлены в табл. 4.2.

2. Накопители на жестких магнитных дисках

Накопители на жестких магнитных дисках типа "винчестер" предназначены для долговременного хранения информации в составе компьютера. Название «винчестер» НЖМД получил в 1973 г., когда фирма IBM изготовила герметичный пакет из двух заменяемых дисков по 30 Мб каждый. Цифры 30 / 30 ассоциировались у пользователей с калибром популярной в США двустволки «Винчестер 30 / 30». В 1983 г. ЭВМ PC XT стали комплектоваться несъемными винчестерами емкостью 10 Мб со средним временем доступа 100 мс.

Магнитный накопитель из алюминиевого сплава или стеклянных пластин диаметром 3.5 или 2.5 толщиной 0.125 дюйма. На пластины методом напыления наносится несколько тонких слоев магнитных и немагнитных материалов, способных намагничиваться на малых участках поверхности. Пластины крепятся на оси небольшого шпиндельного бесшумного двигателя (Д), который вращается с постоянной скоростью (рис. 4.3). Из-за ограничения на размер и вес НЖМД, используемого в составе персонального компьютера, число пластин ограничено и в настоящее время не превышает 12.

Наиболее часто число пластин равно от двух до четырёх (головок от 4 до 8), а наружные диски иногда имеют только по одной внутренней рабочей поверхности. Обычно диски имеют нижнюю и верхнюю рабочие поверхности. К каждой рабочей поверхности подводятся одна головка чтения/записи (Г1, ..., Гn). Головки изготовляются по тонкопленочной технологии и представляют собой специальные полупроводниковые кристаллы с U-образным зазором, обращенным к пластине. U-образная форма используется для создания подъемной силы, возникающей за счет движения воздуха при вращении дисков. Головка парит над поверхностью с зазором, исчисляемым микронами.

Рис. 4.3. Схема НЖМД

В настоящее время в накопителях более 1 Гб используются магниторезистивные головки (MR), которые имеют в составе тонкопленочную головку (TF) для записи и магниторезистивную для считывания. TF представляют собой микрокатушки из нескольких витков на печатной миниатюрной плате. Внутри катушки располагается сердечник из сплава никеля и железа с высокой индукцией. Зазор в сердечнике путем напыления заполняется немагнитным алюминием и защищается от повреждений при контактах с диском. Чтобы исключить порчу пластин от попадания частиц в область зазора между головкой и рабочей поверхностью, диски размещают в герметичном корпусе, заполненном инертным газом.

Легкость головки и малый зазор между диском и головкой (около 15 нм) позволяют намагничивать дорожку вглубь поверхности диска, обеспечивая надежность записи/считывания и хранения информации. Вторая часть головки MR представляет собой головку считывания, в основе которой используется датчик-резистор, меняющий свое сопротивление в зависимости от величины магнитного поля. Через резистор протекает постоянный измерительный ток, который изменяется от напряженности магнитного поля в моменты t_сз при движении вдоль дорожки. Для уменьшения помех от соседних дорожек, резистор приподнимают над дорожкой. Установка головок на заданную i-ю дорожку (цилиндр диаметром di для всех пластин) выполняется катушкой-соленоидом (К), перемещающей приводную ручку (Р), как показано на рис. 4.3. Для перемещения головок на необходимую дорожку в автоматическую следящую систему (СУ) подается сигнал Ei, который сравнивается с сигналом х, поступающим со специальной головки (Гс) или контакта переменного сопротивления R. При наличии разницы в сравниваемых сигналах СУ перемещает шток (Ш) соленоида в сторону требуемого диаметра di. При отключении питания винчестер автоматически паркуется пружиной (П) перемещая головки во внутреннюю область диска, как правило, на последнюю дорожку. Число дорожек определяется типом накопителя и для жестких дисков их число составляет несколько тысяч. Малый зазор между головкой и поверхностью диска позволяет достичь высокой радиальной и линейной плотности записи (100 Гбит/кв.дюйм) и увеличить емкость НЖМД до нескольких десятков и даже сотен Гб.

Основными параметрами винчестера являются емкость (Ё), скорость обмена (V_пр) и время доступа к данным (t_ср). Емкость любого накопителя прямо пропорциональна величине форм - фактора (размера). Форм - фактор указывает на сечение отсека для НЖМД. Если он равен 3.5  1, то это соответствует отсеку 4  1  6 дюймов, используемому для одного 3.5 винчестера. Чем больше размеры дисков и их число в пакете, тем больше емкость. Однако с увеличением диаметра пластин на разных дорожках существенно изменяется скорость движения диска относительно головок, увеличивается время перемещения головок с внутренней дорожки на внешнюю и среднее время доступа. Эти параметры ограничивают изготовление дисков больших размеров, чем 3.5. Поэтому увеличение емкости диска постоянно происходит за счет увеличения TPI, BPI и способов кодирования – декодирования информации. К тому же, увеличение плотности записи позволяет увеличить скорость считывания данных при той же скорости вращения диска. Так, фирма Fujutsu в новой модели 3.5 НЖМД достигла плотности 10.2 Гб на одной 3.5 пластине с головками MR и каналом PRML. Эта фирма выпускает бесшумные НЖМД с использованием подшипников с жидким трением. Другие фирмы изготавливают пластины с плотностью записи на пластину 20 Гб и более.

Скорость обмена характеризуется двумя параметрами: скоростью передачи между НЖМД и ОЗУ и быстродействием передачи между буфером винчестера и поверхностного диска V_д. Скорость передачи (transfer rate) между НЖМД и ОЗУ измеряется величиной V_пр (Мб/с) как отношение величины пересылаемого массива к времени, затраченному на его пересылку. Она определяется, в основном, типом интерфейса.

2.1. Режимы передачи данных

Для передачи данных между винчестером и памятью PC используются два режима:

- режим программного ввода/вывода PIO;

- режим прямого доступа к памяти DMA.

В режиме PIO информации с кэш-буфера (ОЗУ винчестера) жесткого диска сначала считыва­ется центральным процессором и только потом записывается в основную оперативную память. В зависимости от длительности цикла считывания и количества сек­торов, передаваемых за одно обращение к диску, различают режимы PIO0 (PIO Mode 0), PIO1, PIO2, PIO3, PIO4, PIO5. Характеристики режимов PIO приведены в табл. 4.3.

В режиме PIO за одно обращение к НЖМД обычно передается содержимое одного сектора (512 байт), а в режиме PIO 4 – 16 (или больше) секторов. Это способствует увеличению скорости передачи данных с 3.3 Мб в режиме PIO 0 до 20 Мб/с в режиме PIO 5 с использованием интерфейсов IDE или EIDE.

Однако режим PIO традиционно используются в однозадачных операционных системах. В многозадачных опера­ционных системах чаще используются режимы прямого доступа к оперативной памяти DMA. Ввод/вывод данных в этом режиме осуществляется в ОЗУ ПК, минуя МП. Обмен происходит под управлением контроллера НЖМД в паузах между обращениями МП к ОЗУ, что занижает скорость обмена, но освобождает МП от операции передачи данных между ОЗУ и НЖМД. Для режимов DMA используются специальные контроллеры и драйверы. Режимы DMA подразделяются на однословные DMA 0,1,2 (Singleword) и многословные DMA 33,100 (Multiword) в зависимости от количества слов, передаваемых за один цикл работы с системной шиной. Характеристики ранних способов реализации DMA представлены в табл. 4.4.

Для обеспечения большей производительности DMA в начале был разработан и внедрен режим Ultra DMA/33. Интерфейс Ultra АТА/33 (Ultra DMA/33 и АТА-33), предложенный компанией Quantum, обеспечивает передачу данных в режиме Multiword DMA со скоростью 33 Мб/с. В отличие от режима DMA 2, в режиме Ultra АТА/33 (рис. 4.4.) передача данных осуществляется по переднему и зад­нему фронтам тактового сигнала (ТИ). Это позволяет в 2 раза увеличить ско­рость передачи без увеличения тактовой частоты системной шины. Стандарт Ultra DMA/33 отличается от предыдущих версий IDE не только скоростью обмена. Впервые в нем используется механизм обнаружения ошибок с помощью циклического контрольного кода.

С появлением процессоров Pentium контроллеры EIDE обеспечивают функ­цию управления шиной (Bus Master). Это связано с тем, что в многозадачных операционных системах для повышения быстродействия вычислений МП освобождается от ввода/вывода данных между ОЗУ и НЖМД. По­этому контроллеры внешних устройств (EIDE в том числе) стали оборудо­ваться собственными микропроцессорами ввода/вывода. В этом случае МП выдает команду контроллеру EIDE, которая указывает ему, откуда он должен взять данные и в какую область памяти их поместить. После получения этих ука­заний контроллер захватывает управление системной шиной (PCI) и выполняет операции по считыванию данных с накопителей информации (например, с винчес­тера, приводов CD-ROM, CD-R, CD-RW) непосредственно в ОЗУ с по­мощью канала DMA. Однако выигрыш в производительности ПК при использовании функции Bus Master будет значителен лишь при одновременной работе нескольких при­ложений. Функцию Bus Master поддерживают практически все современные чипсеты.

данные 1

Рис. 4.4. Принцип передачи данных в интерфейсах АТА и Ultra ATA/33

Лекция 16: Интерфейсы устройств ввода-вывода

IDE. В качестве интерфейса винчестера с системной шиной на системной плате давно используются IDE (ATA), EIDE (Fast ATA, ATA-2, ATA-3) и SCSI. Первый IDE интерфейс компаний Compaq и Western Digital, интегрированный в плате винчестера для 8/16 - разрядных шин ISA для ЭВМ типа AT, названный IDE ATA и выпущенный в 1986 г., был стандартизирован в 1990 г. для обслуживания двух НЖМД. Интерфейс IDЕ очень быстро завоевал популяр­ность среди производителей и пользователей ПК. При этом стоимость винчестера увеличи­лась незначительно, а винчестер стал подключаться непосредственно к слоту на системной плате, представляющему собой усеченный слот шины ISA, или к плате адаптера. Ранее на плате адаптера был интегрирован контроллер НГМД, а также располагались параллельные и/или последовательные интерфейсы и игровой порт. В новых системных платах все эти компоненты интегрированы непосредственно в один из СБИС чипсета. Важнейшей идеей в создании IDE является сборка основных частей платы контроллера в самом НЖМД и обеспечение совместимости его с любыми системными платами. Он рассчитан на единовременную обработку одной процедуры программного ввода/вывода в режимах PIO - 0, PIO - 1, PIO - 2. В формате CHS предел емкости НЖМД с IDE определяется произведением

Ё max = C  H  S (цилиндры х головки х сектора)

Ё max = 65 536  16  255  512 (байт) = 139.9 Гб. Однако стандарт BIOS системных плат совсем недавно поддерживал лишь Ё max = C  H  S = 1024  255  63  512 (байт) = 8.4 Гб. Учет совместных ограничений IDE и BIOS на величины С, H, S ограничивал максимальную емкость НЖМД без соответствующего программного обеспечения величиной, равной

Ё max = 1024  16  63  512 (байт) = 504 Мб.

Емкости НЖМД 504 Мб уже в ЭВМ с i486 стало недостаточно, поэтому IDE АТА был усовершенствован. Новый стандарт EIDE позволяет расширить предел максимальной емкости НЖМД.

EIDE (Fast ATA) (торговое название фирмы Western Digital) PIO-3 и MultiWord DMA1 с передачей нескольких слов в режиме прямого доступа к памяти ОЗУ. Усовершенствованный Fast ATA2 поддерживает режимы: PIO-4 и MultiWord DMA 2. Новый, с измененной BIOS, стандарт EIDE через контроллер EIDE может удваивать/учетверять число головок с пропорциональным уменьшением числа цилиндров. Это позволяет расширить предел максимальной емкости НЖМД до 8.4 Гб и более за счет реализации режима логического адреса LBA, когда ФА < C, H, S > преобразуется в 28 разрядный логический адрес < C *, H *, S * >. Однако при использовании FAT возникает проблема, ограничивающая емкость диска. Она заключается в том, что с увеличением емкости диска увеличивается минимальный размер кластера (число секторов обмена и наименьшая емкость записи) с 8 Кб (для НЖМД до 504 Мб) до 64 Кб с дисками большой емкости. При малых размерах файлов эти кластеры заполняются не полностью. Память используется неэффективно.

Число подключенных устройств к EIDE может достигать четырех, в том числе CD - ROM или стримеры. Новые режимы EIDE позволяют за 1 обмен считать данные, содержащие сразу несколько (2, 4, 8, 16 и более) стандартных 512 - байтных секторов (Multiple). А новый интерфейс IDE (ATA - 3) поддерживает стандарт Ultra DMA и позволяет увеличить быстродействие обмена Ultra DMA винчестеров с ОЗУ через контроллер Ultra DMA системной платы. В режиме Ultra быстродействие обмена соответствует: DMA 0 – 16.6 Мб/с; DMA 1 – 24.9 Мб/с; DMA 2 (DMA 33) – 33.3 Мб/с; Ultra ATA/66 – 66.6 Мб/с; Ultra ATA/100 – 100 Мб/с. Новый последовательный 4-жильный интерфейс Serial ATA-1,6 с быстродействием обмена (3 или 6) Гб/с разрабатывается для дальнейшего увеличения быстродействия ЭВМ и совместимости с параллельным интерфейсом IDE.

SCSI был спроектирован для повышения быстродействия обмена внешних устройств с системной шиной и числа подключаемых периферийных устройств для многозадачных и многопользовательских операционных систем. Он подсоединяется через главный адаптер к PCI и имеет 8/16 - битную шину данных. К шине SCSI подсоединяются устройства, которым устанавливаются номера ID = 0, 1, ..., 7. Номера ID позволяют устройствам осуществлять обмен по ШД без участия МП с использованием форматов и команд SCSI. Интерфейс SCSI поддерживает Ёmax = 8.4 Гб. Путем увеличения быстродействия обмена (“fast” – быстрый) и разрядности шины расширения (“wide” – многоразрядный) он имеет следующие модификации [14]:

- SCSI-1 – 8 бит / до 5 Мб/с;

- Fast SCSI (SCSI - 2) – 8 бит / до 10 Мб/с;

- Ultra SCSI – 8 бит / до 20 Мб/с;

- Fast Wide SCSI – 16 бит / до 20 Мб/с;

- Ultra Wide SCSI (SCSI - 3) – 16 бит / до 40 Мб/с;

- Ultra 160 SCSI – 160 Мб/с;

- Ultra 320 SCSI – 320 Мб/с.

Практически во всех модификациях в SCSI устанавливается мультисегментный кэш-буфер с емкостью более 512 Кб для одновременного обслуживания нескольких конкурирующих процессов ввода/вывода. Интерфейс SCSI имеет некоторые преимущества перед интерфейсом АТА:

- возможность подключения до 27 устройств (например, Ultra SCSI-III);

- возможность подключать внутренние и внешние устройства;

- диски SCSI-винчестеров вращаются с повышенной скоростью 7200, 10000 или 15 000 об/мин, и время доступа к ним составляет меньше 5 – 7 мс;

- длина 50-жильного плоского кабеля SCSI может достигать 6 м.

Имея в своём составе более качественное оборудование, SCSI стоит в 1,5 раза дороже ATA и применяется чаще всего в серверах.

2.3. Интерлив

В современных винчестерах параметр интерлив (количество оборотов диска для чтения всей дорожки), или как его еще называют Interleave-фактор (рис. 4.5), не оказывает существенного влияния на быстродействие обмена при наличии достаточной емкости памяти кэш-буфера. Однако рассмотрение этого параметра позволяет описать принцип обмена винче­стера секторами с кэш-буфером. При вращении диска головка считывает 512-байтный сектор и посылает данные в буферный регистр контроллера, откуда данные передаются процессору. Диск продолжает вращаться, головка считывания переходит к следующему сектору, но контроллер при ограниченном объеме кэш-буфера все еще занят обменом данными с процессором. Поэтому для того чтобы прочитать следующий сектор при освобождении контроллера головка должна ожидать полного оборота диска или пропустить часть секторов. При чтении всего кластера, который располагается в соседних секторах, секторы считываются подряд, без задержки. Если емкость буфера мала и необходима передача данных в ОЗУ, то часть секторов пропускается до момента освобождения буфера. Так, в режиме 3:1 (рис. 4.5, б) пропускается два сектора.

а б

Рис. 4.5. Размещение кластеров при режиме обмена 1:1 и 3:1

Диски более ранних выпусков организованы так, что сектора файла данных располагаются на дорожке диска не друг за другом, а в другом порядке, учитывающем интерлив и способность обмена с МП с поворотом НЖМД. При этом при позиционировании головки контроллер имеет достаточно времени для передачи информации без лишнего оборота диска. При освобождении контроллера он обращается к соответствующему сектору.

Современные контроллеры работают по другому принципу: для организации непрерывного чтения секторов данные считываются из нескольких секторов ("с подозрением" на их необходимость) и запоминаются в кэш-буфе­ре, откуда впоследствии они могут быть извлечены. Преимущество такого способа заключается в том, что контроллер помещается в дисковод, в котором механика и электроника работают оптимальным образом.

На быстродействие передачи данных V_д между буфером винчестера и поверхностностью диска, кроме времени поиска нужной дорожки t_cр, существенно влияет: скорость вращения пластин V_в; число физических секторов S на дорожке; способ их чередования (интерлив); размер кэш - буфера; тип данных (последовательные, фрагментированные) и режим обмена. Поэтому скорость V_д обмена между буфером винчестера и поверхностностью диска у наилучших моделей обычно не превышает 10 Мб/c. Если дорожка уже позиционирована, то скорость обмена определяется в основном двумя величинами: временем поиска сектора (равно половине периода Т вращения пластины) и скоростью считывания секторов. С учётом этих величин V_д приблизительно определяется по формуле:

V_д = 0.5  S  512 / (T  I) (Кб/с),

где S - число физических секторов (S = 80 - 160 и зависит от номера дорожки);

Т = 1 / V_в – период вращения (при V_в = 7 200 об/мин T  8 мс);

I – интерлив, количество оборотов диска для чтения всей дорожки (у лучших НЖМД I = 1).

Подставляя лучшие параметры дисков, получаем V_д  160  0,5  512 / 8  1024 = 5 Мб/с. При учёте времени поиска нужной дорожки t_c скорость обмена между кэш-буфером винчестера и поверхностностью диска V_д будет меньше и будет определяться способом заполнения пластин. Пластины могут заполняться последовательно (сначала один диск, затем другой и т. д.) или в режиме заполнения дорожками, когда сначала заполняются все крайние внешние дорожки у всех пластин, затем запись смещается к центру. Режим заполнения дорожками встречается чаще, и поэтому незаполненные информацией НЖМД обладают большим быстродействием, чем заполненные, т. к. информация на внутренних дорожках читается медленнее, и количество секторов на дорожках неодинаково – на внутренних цилиндрах их меньше, чем на внешних.

2.4. Характеристики НЖМД

Типичная блок – схема управления НЖМД, размещаемая на печатной плате винчестера [21] представлена на рис. 4.6. Любой винчестер IDE или SCSI имеет пакет магнитных дисков, блок магнитно-резистивных головок, систему позиционирования, канал считывания записи, сепаратор данных и микроконтроллер. Сепаратор данных выделяет из входного считываемого сигнала импульсы синхронизации и данные. Микроконтроллер по специальным адресным меткам распознает поля идентификации и данных сектора. В поле идентификатора находится закодированная информация об адресе сектора < C, H, S >. МП устанавливает правильность позиционирования головок и выполняет микрооперации записи/считывания следующим образом.

Цифровая система УУ НЖМД воспринимает команды с системной шины от центрального процессора через микроконтроллер обмена диска с шиной SCSI и включает буфер секторов для временного хранения данных, участвующих в обмене. МП УУ накопителя принимает поступающий с системной шины логический адрес < C *, H *, S * >, преобразует его в физический адрес < С, H, S >, и, через МП и контроллер управления двигателем и приводом головок, позиционируют соответствующий цилиндр С. Для чего величина, определяющая место < C > цилиндра на пластине Ei, сравнивается с сигналом положения приводной ручки х (см. рис. 4.3). При наличии отличной от нуля разницы Ei - х из СУ поступает сигнал, который усиливает и возбуждает ток в соленоиде К, перемещая привод головки вглубь или на край диска в зависимости от знака величины рассогласования.

Перемещаясь, приводная ручка уменьшает величину Ei - х до нуля и МП НЖМД по положению маркера (по коду поля идентификации) подключает требуемую головку к сектору < S > и каналу записи/считывания, включающего шифратор для записи или импульсный детектор и дешифратор (DC) в режиме считывания.

Рис. 4.6. Схема управления НЖМД

Характеристики некоторых 3.5-дюймовых НЖМД представлены в табл. 4.5. Из таблицы видно, что скорость вращения V_в дисков увеличилась. В старых винчестерах она была равна 3 600 об/мин, теперь она чаще всего равна 7 200 об/мин. Только в дорогих НЖМД с SCSI интерфейсом она равна 15 000 об/мин. Высокие скорости вращения диска (7 200 об/мин) и перемещения микроскопических головок позволяют получить в лучших конструкциях НЖМД среднее время доступа к информации около 8 мс. Время поиска нужной дорожки зависит от исходного положения головки и является наименьшим, если головка находится на соседней дорожке (track to track seek) t_cд. Величина t_cд для лучших НЖМД равна 1 – 3 мс.

Если поиск ведется случайным образом с равновероятным переходом на любую дорожку, можно говорить о среднем времени доступа (average seek) t_cр. Существенно увеличилась у новых моделей НЖМД емкость до 20 Гб и более. Все НЖМД для ускорения доступа к данным оснащаются кэш-буфером емкостью 2 Мб и часто 8 Мб. Для повышения надежности НЖМД применяется система диагностики и оповещения отказов S.M.A.R.T. и специальные способы обнаружения сбоев и коррекции.

Технология S.M.A.R.T. была разработана с участием крупнейших производителей винчестеров. Для ана­лиза надежности жесткого диска используются две группы параметров: па­раметры естественного старения диска и текущие параметры.

К параметрам первой группы относятся:

- количество оборотов двигателя за время работы;

- количество перемещений головок чтения/записи за время работы.

К параметрам второй группы относятся, например, такие:

- расстояние между головкой чтения/записи и рабочей поверхностью;

- скорость обмена данными между дисками и кэш-памятью винчестера;

- количество переназначенных поврежденных (bad) секторов;

- скорость поиска данных на диске.

Вся информация S.M.A.R.T. записывается на специальных дорожках. Существует три версии (I, II, III) технологии S.M.A.R.T. В S.M.A.R.T. III осуществляется предсказание ошибок, осуществляется сканирование поверхности и в дополнение к I, II предыдущим версиям опреде­ляет и восстанавливает проблемные сектора. BIOS позволяет пользователю управлять режимом работы S.M.A.R.T. с выдачей сообщений о состоянии НЖМД. При этом средняя наработка на отказ винчестера MTBF, как средне статистическое время между сбоями, равна 500 тыс. часов (при 40 - 50 тыс. циклов включения/выключения), что на порядок выше других компонент ЭВМ.

IBM, Fujitsu, Quantum и другие фирмы в НЖМД используют для повышения плотности записи и надежности вместо алюминиевых стеклянные и кремниевые пластины из-за их большей жесткости и чистоты. Это также способствует уменьшению их веса. Также многие компании, например, IBM, стремятся уменьшить размеры пластин (чем меньше пластина, тем меньше вибрация) вводя новые 27-миллимитровые стандарты. Прогнозы компаний: увеличение плотности записи информации скоро составят 300 Гбит на кв. дюйм. Продолжается поиск альтернативы магнитным дискам. Среди таких инноваций – органические магнитные пленки и структуры с нанесенными ячейками. Производители полагают, что новые технологии потеснят магнитные носители.

Основными недостатками магнитных дисков являются: старение материалов подложки, ограничивающее срок службы до 5 лет; потеря данных от воздействия случайных электромагнитных полей; размагничивание в процессе хранения; чувствительность к ударам и тряске.

Лекция 17: Оптические накопители

В 1972 г. компания Phllips продемонстрировала систему Video Long Play. В ней был использован для записи данных принцип "засечек". Он стал началом развития CD-, а в дальнейшем и DVD-технологий. Первый стандарт оптических накопителей CD-ROM, включающий систему записи на компакт-диск произвольных цифровых данных, разработан в 1984 г. фирмами Philips и Sony.

Массово компакт-диск постоянной памяти СD-RОМ выпускается с 1988 г. как накопитель информации емкостью 650 Мб. Эта информация соответствует примерно 330 000 страницам текста или 74 минутам высококачественного звучания. На данный момент существует несколько стандартов CD-ROM – это AAD, DDD, ADD. Буквы этой аббревиатуры отражают формы звукового сигнала, использованные при создании диска: первая – при исходной записи, вторая – при обработке и сведении, третья – конечный мастер-сигнал, с которого формируется диск. "A" обозначает аналоговую (Analog) форму, "D" – цифровую (Digital). Мастер-сигнал для CD всегда существует только в цифровой форме, поэтому третья буква аббревиатуры всегда "D". При записи и обработке сигнала в аналоговой форме сохраняются высшие гармоники, но возрастает уровень шума. При обработке в цифровой форме высшие гармоники принудительно обрезаются на половине частоты дискретизации.

Компакт - диски CD-ROM изготавливаются толщиной 1.2 мм с внешним диаметром 12 см, с внутренним отверстием 15 мм из полимерного материала, который покрыт с нижней стороны пленкой из сплава алюминия (рис. 4.7.). Эта пленка является носителем информации, которая после записи защищается дополнительным слоем лака. Верхний слой является нерабочим, и на него наносятся этикетки и надписи.

Рис. 4.7. Информационный слой на CD-ROM

Изготовление дисков происходит в несколько стадий, включающих:

- запись выжиганием лазерным лучом штрихов ("засечка", пит) в течение более 1.5 часов на мастер-диск;

- получение с мастер-диска копий матриц из твердого металла;

- изготовление копии рабочих дисков путем оттиска (штамповки) матрицами.

В результате оттиска на поверхности диска остается спиральная дорожка шириной 0.6 мкм с расстоянием между витками 1.6 мкм с углублениями в виде штриха 0.12 мкм с ТРI = 16 000. Дорожка начинается вблизи центрального отверстия и оканчивается в 5 мм от внешнего края. Длина спирали достигает 5 км. Принцип работы накопителя CD-ROM [21] можно упрощенно пояснить с помощью рис. 4.8. Диск вращается двигателем (D1), система управления которого обеспечивает постоянную скорость перемещения дорожки относительно считывающего устройства на любом внутреннем или внешнем витке спирали. При этом скорость считывания данных для формирования звука строго постоянна и равна 75 блокам в секунду (150 Кб/с).

В каждом блоке записано 2 352 байта. Из них 2 048 полезных и 288 контрольных, которые используются для восстановления данных ("провалов" из-за царапин, сора) длиной до 1 000 бит, 16 для синхронизации. Контрольные биты позволяют избежать ошибок с вероятностью 10^-25. Двигатель положения (D2) предназначен для перемещения подвижной каретки (ПК) с зеркалом и фокусирующей линзой к нужному витку спиральной дорожки по командам встроенного микропроцессора.

Рис. 4.8. Принцип работы накопителя CD-ROM

Полупроводниковый лазер (ППЛ) излучает инфракрасный луч с длиной волны в 4 раза превышающей глубину штриха. Этот луч проходит через разделительную призму (РП), отражаясь от зеркала (3). Затем через фокусирующую линзу (ФЛ1) он точно направляется на дорожку и отражается от нее с разной интенсивностью в зависимости от штриха или плато. Поскольку диаметр светового пятна, формируемого на дорожке лазерным лучом, больше, чем размер штриха, при одновременном отражении луча от дна штриха и основной поверхности между отраженными волнами возникает гасящая интерференция, интенсивность отраженного луча уменьшается. При отсутствии штриха световое пятно отражается одинаково, интерференция не происходит, интенсивность отраженного луча сохраняется. Отраженный от дорожки луч воспринимается фокусирующей линзой (ФЛ1) и через РП и фокусирующую линзу (ФЛ2) воспринимается фотодатчиком (ФД), который преобразует оптические сигналы в электрические. Электрический сигнал, снимаемый с ФД при просмотре штриха в CD, принимается за логическую единицу. Электрические сигналы передаются затем в звуковую плату или в ОЗУ. При передаче в звуковую плату (карту) цифровые последовательности преобразуются в аналоговые сигналы, усиливаются и могут быть прослушаны через наушники или динамики.

Если сигналы с диска представляют собой массивы цифровых данных для компьютера, то они преобразуются в параллельный двоичный код встроенным микропроцессором, который затем может их передать в сегменты ОЗУ ЭВМ. В отличие от звуковых записей, передаваемых в звуковую плату синхронно, цифровые данные с CD могут быть считаны в ОЗУ с увеличенной 4, 6, 8, 10 раз скоростью. Накопитель и CD-ROM, имеющие такие скорости, называют 4 – 10 скоростными. Они считывают данные и передают их в системную шину со скоростью 600, 900, 1200, 1500 Кб/с и имеют лучшее среднее время доступа к блокам диска около 100 мс. На скорости свыше 5 000-6 000 об/мин надежное считывание становится практически невозможным, поэтому последние модели 12- и более скоростных CD-ROM при чтении данных работают в режиме CAV (постоянная угловая скорость), вращая диск с максимально возможной скоростью. В этом режиме скорость поступления данных с диска меняется в зависимости от положения головки, увеличиваясь от начала к концу диска. Указанная в паспорте скорость (например, 24x) достигается только на внешних участках диска, а на внутренних она падает примерно до 1200-1500 Кб/с. В дисководах со скоростями 20 и 24 быстродействие зависит от места считывания информации с компакт - диска и их средняя скорость соответствует около х14 при поддержке BIOS режима PIO-4.

3.1. Перезаписываемые оптические накопители

Кроме CD-ROM все более широкое применение находят стандарты CD-R (Recordable - записываемый) и CD-RW (ReWritable - перезаписываемый). Для однократной записи CD-R используются так называемые "болванки", представляющие собой обычный компакт-диск, в котором отражающий слой выполнен преимущественно из золотой или серебряной пленки. Между ним и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала (красителя), темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные "засечкам".

Перезаписываемые диски CD-RW имеют семислойную структуру, отличающуюся от дисков CD-R, которые содержат пять слоев, как показано на рис. 4.9. В CD-RW используется промежуточный слой из металлопластика, изменяющий под воздействием луча свое фазовое состояние с аморфного на кристаллическое и обратно. В результате чего меняется прозрачность слоя. Фиксация изменений состояния происходит благодаря тому, что материал регистрирующего слоя при нагреве свыше критической температуры переходит в аморфное состояние и остается в нем после остывания, а при нагреве до температуры значительно ниже критической восстанавливает кристаллическое состояние. Такие диски выдерживают от тысяч до десятков тысяч циклов перезаписи. Однако их отражающая способность существенно ниже однократных CD, что затрудняет их считывание в обычных приводах. Для чтения CD-RW необходим привод с автоматической регулировкой усиления фотоприемника (Auto Gain Control), хотя некоторые обычные приводы CD-ROM и бытовые проигрыватели способны читать их наравне с обычными дисками. Способность привода читать CD-RW носит название Multiread.

Перезаписываемый диск может иметь такую же структуру и файловую систему, что и CD-R, либо на нем может быть организована специальная файловая система UDF, позволяющая динамически создавать и уничтожать отдельные файлы на диске.

,

Рис.4.9. Структура записи на CD-R и CD-RW

3.2. Цифровой универсальный диск

Стандарт для DVD был разработан в 1995 г. совместно несколькими компаниями (Hitachi, JVC, Philips и др.). На DVD-диски можно записывать не только видео, но и аудио и любые другие данные, поэтому он чаще применятся как цифровой универсальный диск (Versatile). Главное отличие DVD-дисков от CD-дисков – разница в объёмах информации. Ёмкость DVD увеличена несколькими способами:

- во-первых, для чтения DVD-дисков используется лазер с меньшей длиной волны, чем для чтения CD-дисков, что позволило существенно увеличить плотность записи;

- во-вторых, стандартом предусмотрены двухслойные диски, для которых на одной стороне записываются данные в два слоя. При этом один слой полупрозрачный, что позволяет осуществлять чтение "сквозь" первый слой.

С повышением плотности записи и уменьшением длины волны считывающего лазера изменилось требование к толщине защитного пластмассового слоя, для DVD-дисков он составляет всего 0.6 мм в отличие от 1,2 мм, используемых в CD-дисках. Однако что бы сохранить привычные размеры диска и избежать излишней хрупкости DVD-дисков, они заливаются пластиком с двух сторон, чтобы итоговая толщина диска составила те же 1,2 мм. Это позволило записывать данные на обе стороны DVD-дисков и таким образом удваивать их ёмкость. Основные виды DVD дисков следующие [18]:

- DVD-5 (4.7 Гб) с записью данных одним слоем на одной стороне;

- DVD-9 (8.5 Гб) с записью данных в два слоя на одной стороне;

- DVD-10 (9.4 Гб) с записью данных на двух сторонах по одному слою;

- DVD-14 (13.24 Гб) с записью данных в два слоя на одной стороне, один слой на другой;

- DVD-18 (17 Гб) с записью данных на двух сторонах по два слоя.

Характеристики оптических дисков фирмы Samsung представлены в табл. 4.6.

Поскольку DVD-диск часто используют для передачи графики, мультимедиа и просмотра видеофильмов, то для качественного воспроизведения картинок (720х576 точек глубиной цвета 24 бит, в европейском стандарте PAL) требуется скорость передачи данных 30 Мб/с, а для просмотра фильма нужна емкость диска около 100 Гб. С целью снижения требований к скорости передачи данных (V_пр) и увеличения объема данных используется алгоритм сжатия MPEG-2. Это позволяет снизить скорость потока данных до 3 – 4 Мб/с. При сжатии удаляется уменьшить до 97 % избыточной информации практически без ущерба для качества картинки. Чтобы восстановить считанные с DVD-диска данные, информацию необходимо декодировать, т.е. восстановить избыточную информацию, удаленную при сжатии. Это можно сделать либо программно без применения специализированных аппаратных средств, либо с использованием аппаратного DVD-декодера.

Для DVD-дисков, также как и для CD дисков, существуют форматы перезаписи – это DVD-RAM и DVD+RW емкостью до 2,6 Гб и до 3 Гб соответственно, но оба этих формата несовместимы между собой. Принцип перезаписи у них такой же, как и у CD технологий, но запись ведется по слоям и плотность на диске более высокая.

В настоящее время для CD и DVD накопителей применяется несколько интерфейсов, это EIDE, ATAPI, SCSI, а также USB.

3.3. Оптические накопители нового поколения

В накопителях нового поколения, так называемых флюоресцентных дисках (FM-диски), используется принцип "фотохромизма". Это явление проявляется в органическом материале, содержащем частицы фотохрома, которые под воздействием лазерного луча определенной длины волны испускают флюоресцентное свечение. Изначально фотохром не обладает флуоресцентными свойствами. Запись осуществляется под воздействием лазера большой мощности на участки, где инициируется фотохимическая реакция, в результате которой и начинают проявляться флюоресцентные свойства. При считывании частицы фотохрома в участках, облученных лазером, опять возбуждаются посредством лазера меньшей мощности и начинает флюоресцировать. Это свечение улавливается фотоприемником и принимается как значение "1". Особенность FM-диска отражается на характеристике накопителя:

- многослойность, прозрачность и однородность;

- низкие потери сигнала при прохождении через несколько слоев;

- флуоресцентное свечение элементов "прозрачно" для всех слоёв диска;

- меньшая чувствительность, чем у CD/DVD, к различным недостаткам устройств считывания;

- флуоресцентное свечение с любого слоя не когерентно, исключается интерференция, которая присутствует в технологиях CD/DVD;

- флуоресцентная технология совместима с CD и DVD форматами распределения данных на каждом слое.

Сравнительные характеристики флуоресцентного диска емкостью 50 Гб представлены в таб. 4.7.

Из табл. 4.7 видно, что FM-диск позволяет хранить и использовать больше данных, чем CD-диски или DVD-диски, и может быть, в скором времени FM-диски заменят другие оптические накопители.

Лекция 17: Шины микропроцессорной: системы и циклы обмена

Самое главное, что должен знать разработчик микропроцессорных систем — это принципы организации обмена информацией по шинам таких систем. Без этого невозможно разработать аппаратную часть системы, а без аппаратной части не будет работать никакое программное обеспечение.

За более чем 30 лет, прошедших с момента появления первых микропроцессоров, были выработаны определенные правила обмена, которым следуют и разработчики новых микропроцессорных систем. Правила эти не слишком сложны, но твердо знать и неукоснительно соблюдать их для успешной работы необходимо. Как показала практика, принципы организации обмена по шинам гораздо важнее, чем особенности конкретных микропроцессоров. Стандартные системные магистрали живут гораздо дольше, чем тот или иной процессор. Разработчики новых процессоров ориентируются на уже существующие стандарты магистрали. Более того, некоторые системы на основе совершенно разных процессоров используют одну и ту же системную магистраль. То есть магистраль оказывается самым главным системообразующим фактором в микропроцессорных системах.

Обмен информацией в микропроцессорных системах происходит в циклах обмена информацией. Под циклом обмена информацией понимается временной интервал, в течение которого происходит выполнение одной элементарной операции обмена по шине. Например, пересылка кода данных из процессора в память или же пересылка кода данных из устройства ввода/вывода в процессор. В пределах одного цикла также может передаваться и несколько кодов данных, даже целый массив данных, но это встречается реже.

Циклы обмена информацией делятся на два основных типа:

• Цикл записи (вывода), в котором процессор записывает (выводит) информацию;

• Цикл чтения (ввода), в котором процессор читает (вводит) информацию.

В некоторых микропроцессорных системах существует также цикл «чтение-модификация-запись» или же «ввод-пауза-вывод». В этих циклах процессор сначала читает информацию из памяти или устройства ввода/вывода, затем как-то преобразует ее и снова записывает по тому же адресу. Например, процессор может прочитать код из ячейки памяти, увеличить его на единицу и снова записать в эту же ячейку памяти. Наличие или отсутствие данного типа цикла связано с особенностями используемого процессора.

Особое место занимают циклы прямого доступа к памяти (если режим ПДП в системе предусмотрен) и циклы запроса и предоставления прерывания (если прерывания в системе есть). Когда в дальнейшем речь пойдет о таких циклах, это будет специально оговорено.

Во время каждого цикла устройства, участвующие в обмене информацией, передают друг другу информационные и управляющие сигналы в строго установленном порядке или, как еще говорят, в соответствии с принятым протоколом обмена информацией.

Длительность цикла обмена может быть постоянной или переменной, но она всегда включает в себя несколько периодов сигнала тактовой частоты системы. То есть даже в идеальном случае частота чтения информации процессором и частота записи информации оказываются в несколько раз меньше тактовой частоты системы.

Чтение кодов команд из памяти системы также производится с помощью циклов чтения. Поэтому в случае одношинной архитектуры на системной магистрали чередуются циклы чтения команд и циклы пересылки (чтения и записи) данных, но протоколы обмена остаются неизменными независимо от того, что передается — данные или команды. В случае двухшинной архитектуры циклы чтения команд и записи или чтения данных разделяются по разным шинам и могут выполняться одновременно.