Организация компьютерных систем. Память

  

  Конструктивные  исполнения памяти DRAM

  Память  типа DRAM конструктивно выполняют  и в виде отдельных микросхем  в виде модулей памяти типа:

• SIPP,
• SIMM,
• DIMM,
• RIMM.

  Со времен появления полупроводниковой памяти и до начала 90-х годов все микросхемы памяти производились, продавались и устанавливались на плату компьютера по отдельности. Эти микросхемы вмещали от 1 Кбит до 1 Мбит информации и выше.

  В настоящее  время распространен другой подход. Группа микросхем монтируется на одну крошечную печатную плату и продается как один блок.

  Модули  типа SIPP (Single In-line Pin Package) представляют собой прямоугольные платы с контактами в виде ряда маленьких штырьков. Этот тип конструктивного исполнения уже практически не используется, так как он далее был вытеснен модулями типа SIMM.

  Конструктивные  исполнения памяти DRAM

  Модули  типа SIMM (Single In-line Memory Module — модуль памяти, имеющий выводы с одной стороны) представляют собой длинные прямоугольные платы с рядом контактных площадок вдоль одной из её сторон. Модули фиксируются в разъёме (сокете) подключения с помощью защёлок путём вставления платы под некоторым углом и нажатия её до приведения в вертикальное положение.

        Выпускались модули на 4, 8, 16, 32 и 64 Мбайт. Наиболее распространены 30- и 72-контактные модули SIMM.

  Модули  типа DIMM (Dual In-line Memory Module —модуль памяти, у которого выводы расположены с двух сторон) представляют собой длинные прямоугольные платы с рядами контактных площадок вдоль обеих её сторон, устанавливаемые в разъём подключения вертикально и фиксируемые по обоим торцам защёлками.

  Микросхемы  памяти на них могут быть размещены  как с одной, так и с обеих  сторон платы. 
Модули памяти типа SDRAM наиболее распространены в виде 168-контактных DIMM-модулей, памяти типа DDR SDRAM — в виде 184-контактных, а модули типа DDR2, DDR3 и FB-DIMM SDRAM — 240-контактных модулей.

  Для портативных  и компактных устройств (лаптопов, ноутбуков  и т.п.), а также принтеров, сетевой  и телекомуникационной техники  и пр. широко применяются конструктивно уменьшенные модули DRAM (как SDRAM, так и DDR SDRAM) — SO-DIMM (Small outline DIMM) — аналоги модулей DIMM в компактном исполнении для экономии места. 
Модули SO-DIMM существуют в 72, 100, 144, 200 и 204-контактном исполнении.

  Модули  типа RIMM (Rambus In-line Memory Module) менее распространены, в них выпускается память типа RDRAM. Они представлены 168- и 184-контактными разновидностями, причём на материнской плате такие модули обязательно должны устанавливаться только в парах, в противном случае в пустые разъёмы устанавливаются специальные модули-заглушки (это связано с особенностями конструкции таких модулей).

  Также существуют 242-контактные PC1066 RDRAM модули RIMM 4200, не совместимые  с 184-контактными разъёмами, и уменьшенная  версия RIMM — SO-RIMM, которые применяются в портативных устройствах.

  

  Магнитный диск

  

  Дорожкой называется круговая последовательность битов, записанных на диск за его полный оборот. Каждая дорожка делится на секторы фиксированной длины. Каждый сектор обычно содержит 512 байт данных. Перед данными располагается преамбула (preamble), которая позволяет головке синхронизироваться перед чтением или записью. После данных идет код исправления ошибок (Error-Correcting Code, ECC), в качестве которого используется код Хэмминга или код Рида-Соломона, позволяющий исправлять множественные ошибки, а не только одиночные.

  Между соседними  секторами находится межсекторный интервал. Многие производители указывают размер неформатированного диска (как будто каждая дорожка содержит только данные), хотя честнее указывать вместимость форматированного диска, на котором не учитываются преамбулы, ЕСС-коды и межсекторные интервалы. Емкость форматированного диска обычно на 15 % меньше емкости неформатированного.

  У всех дисков есть кронштейны, они могут перемещаться туда и обратно по радиусу на разные расстояния от шпинделя, вокруг которого вращается диск.

  На разных расстояниях от оси записываются разные дорожки. Таким образом, дорожки  представляют собой ряд концентрических  кругов, расположенных вокруг шпинделя.

  Ширина  дорожки зависит от величины головки  и от точности ее  перемещения. На сегодняшний момент диски имеют  от 5000 до 10 000 дорожек на см, то есть ширина каждой дорожки составляет от 1 до 2 микрон). Следует отметить, что дорожка  — это не углубление на поверхности диска, а просто кольцо намагниченного материала, которое отделяется от других дорожек небольшими пограничными областями.

  

  Большинство магнитных дисков состоит из нескольких пластин, расположенных друг под  другом.

  Каждая  поверхность снабжена кронштейном и головкой. Кронштейны скреплены таким образом, что одновременно могут перемещаться на разные расстояния от оси. Совокупность дорожек, расположенных на одном расстоянии от центра, называется цилиндром.

  Производительность  диска

  Производительность диска зависит от многих факторов. Чтобы считать или записать сектор, головка должна переместиться на нужное расстояние от оси. Этот процесс называется поиском. Среднее время поиска между дорожками, взятыми наугад, составляет от 5 до 10 мс, а поиск между смежными дорожка- дорожками — менее 1 мс.

  Когда головка  помещается на нужное расстояние от центра, выжидается некоторое время (время ожидания сектора), пока нужный сектор не окажется под головкой. Большинство дисков вращаются со скоростью 5400, 7200 или 10 800 оборотов в минуту. Таким образом, среднее время ожидания сектора (половина оборота) составляет от 3 до 6 мс.

  Время передачи информации зависит от плотности  записи и скорости вращения. При  скорости передачи от 20 до 40 Мбайт в  секунду время передачи одного сектора 512 байт составляет от 13 до 26 мкс. Время поиска и время ожидания сектора определяет время передачи информации.

  Контроллер

  С диском связан контроллер — микросхема, которая управляет диском. Некоторые контроллеры содержат целый процессор. В задачи контроллера входит получение от программного обеспечения таких команд, как READ, WRITE и FORMAT (то есть запись всех преамбул), управление перемещением кронштейна, обнаружение и исправление ошибок, преобразование байтов, считываемых из памяти, в непрерывный поток битов и наоборот.

  Некоторые  контроллеры производят буферизацию  и кэширование нескольких секторов на случай их дальнейшего использования, а также пропускают поврежденные секторы. 

  Необходимость последней функции вызвана наличием секторов с поврежденным, то есть постоянно намагниченным, участком. Когда контроллер обнаруживает поврежденный сектор, он заменяет его одним из свободных секторов, которые выделяются специально для этой цели в каждом цилиндре или зоне.

  ST506/412

  Широкое применение винчестеров в качестве устройств долговременного хранения информации началось после выпуска фирмой Shugart Technology (Seagate Technology, Inc.) диска ST506 размером 5.25 дюйма. Устройство емкостью 5Мбайт использовало для подключения к компьютеру интерфейсную плату ST506, разработанную в конце 70-х годов компанией Western Digital.

  Для соединения винчестера с интерфейсной платой использовался 34-проводный плоский кабель, к  которому можно было подключить два  устройства. Для того, чтобы диски  можно было адресовать, часть кабеля перекручивалась (подобно кабелю для подключения дисководов). Кроме того, для обмена данными с каждым из дисков использовался отдельный 20-проводный плоский кабель.

  Крупным недостатком интерфейса ST506 являлось пошаговое перемещение головок (один шаг на каждую команду перемещения), как это до сих пор происходит в дисководах для работы с гибкими дисками.

  ESDI

  По мере роста скорости работы компьютеров  интерфейс ST506 перестал удовлетворять  всем требованиям и в 1985 году был  разработан новый стандарт - ESDI, который являлся простым расширением возможностей своего предшественника.

  Данные  передавались через последовательную линию порциями по 16 бит, сопровождаемых битом четности. Обеспечивалась также  возможность подтверждения передачи данных.

  Скорость  обмена с контроллером до 10Мбит/сек  за счет передачи по кабелю цифровых сигналов. Кроме того, интерфейс ESDI обеспечивал  возможность использования винчестеров  большой емкости и оптических накопителей.

  Интерфейс ESDI обеспечивал три сигнала выбора устройства, что позволяло подключать к нему до 7 накопителей. Сигналы выбора головки позволяли напрямую адресовать до 16 головок, однако специальная команда Select Head Group позволяла использовать до 256 головок.

  SCSI

• Первоначальный вариант интерфейса SCSI был предложен в конце 70-х годов Shugart Associates под названием SASI взамен разработанной компанией IBM системной шины IPI (интеллектуальный периферийный интерфейс). После неудачи в конкурентной борьбе с фирмой IBM этот интерфейс был предложен комитету ANSI X3T9.2 как интерфейс нижнего уровня под названием SCSI. В 1984 году этот комитет закончил разработку спецификации SCSI-1 и в 1986 году она была опубликована в окончательном виде.
• Этот интерфейс обеспечивал подключение широкого класса периферийных устройств, таких как винчестеры, принтеры, сканеры, стриммеры, приводы CD-ROM и др. SCSI является интерфейсом системного, а не приборного уровня.
• В отличие от ST506/412 и других приборных интерфейсов с последовательной передачей информации, SCSI передает биты данных параллельно, что обеспечивает существенное повышение скорости обмена данными между устройством и хост-адаптером.

  SCSI — это  не просто интерфейс жесткого  диска. Это шина, к которой могут  подсоединяться SCSI-контроллер и  до семи дополнительных устройств. Ими могут быть один или несколько жестких SCSI-дисков, устройства для чтения и записи компакт-дисков, сканеры, накопители на магнитной ленте и другие периферийные устройства.

  Каждое  устройство имеет свой идентификационный  код от 0 до 7 (до 15 для 16-разрядных версий). У каждого устройства есть два разъема: один — входной, другой — выходной. Кабели соединяют выходной разъем одного устройства с входным разъемом следующего устройства и т.д. Последнее устройство в цепи должно быть терминальным, чтобы отражения от концов шины не искажали данные в шине. Обычно контроллер помещается на встроенной карте и является первым звеном цепи.

  SCSI-контроллеры  и периферийные SCSI-устройства могут  быть источниками или приемниками  команд. Обычно контроллер, действующий как источник, посылает команды дискам и другим периферийным устройствам, которые, в свою очередь, являются приемниками. Команды представляют собой блоки до 16 байтов, которые сообщают приемнику, что нужно делать. Команды и ответы на них оформляются в виде фраз, при этом используются различные сигналы контроля для разграничения фраз и разрешения конфликтных ситуаций, которые возникают, если несколько устройств одновременно пытаются использовать шину.

  Это очень  важно, так как интерфейс SCSI позволяет всем устройствам работать одновременно, что значительно повышает производительность среды, поскольку активизируются сразу несколько процессов. В системах IDE и EIDE, если одно из устройств работает в активном режиме, остальные обязательно должны быть пассивными.

  ATA

  Спецификация IDE/ATA была предложена в качестве недорогой  альтернативы интерфейсам ESDI и SCSI для  персональных компьютеров семейств IBM PC XT/AT. В результате сотрудничества компании Western Digital с Compaq Computer Corporation был  разработан интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics), называемый также АТА (AT attachment).

  Первые  промышленные устройства на базе IDE/ATA были выпущены в 1986 году. Интерфейс  был стандартизован (ANSI X3T9.2/90-143) в 1990г. как ATA (AT Attachment). Основным отличием нового интерфейса была реализация большинства функций контроллера непосредственно на плате дискового накопителя. Такой подход упростил и удешевил хост-адаптеры, используемые для подключения винчестеров к компьютеру, и позволил обеспечить высокий уровень совместимости устройств разных фирм.

  На смену IDE-дискам пришли устройства EIDE (Extended IDE —усовершенствованные устройства со встроенным контроллером).