Эволюция средств автоматизации вычислений

Основные понятия курса

Предметом рассмотрения будут исключительно цифровые машины и системы, то есть устройства, оперирующие дискретными величинами. Вычислительная машина (ВМ) [1] – это:

1. Устройство, которое принимает данные, обрабатывает их в соответствии с хранимой программой, генерирует результаты и обычно состоит из блоков ввода, вывода, памяти, арифметики, логики и управления.

2. Функциональный блок, способный выполнять реальные вычисления, включающие множественные арифметические и логические операции, без участия человека в процессе этих вычислений.

3. Устройство, способное: хранить программу или программы обработки и, по меньшей мере, информацию, необходимую для выполнения программы; быть свободно перепрограммируемым в соответствии с требованиями пользователя; выполнять арифметические вычисления и логические действия, определяемые пользователем.

По этому определению к ВМ относятся как мейнфреймы, так и настольные ЭВМ и даже встраиваемые вычислительные и цифровые управляющие устройства (микроконтроллеры, цифровые сигнальные процессоры и др.). Программируемые микроконтроллеры на базе одной микросхемы часто и называют однокристальными микро-ЭВМ [2].

Вычислительную систему (ВС) определим как совокупность каким-либо образом взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или вычислительных машин, периферийного оборудования и программного обеспечения, предназначенную для подготовки и решения задач пользователей. Таким образом, формально отличие ВС от ВМ выражается в количестве вычислителей.

Под архитектурой вычислительной машины обычно понимается логическое построение ВМ, то есть то, какой машина представляется программисту. Впервые термин “архитектура вычислительной машины” (computer architecture) был употреблен фирмой IBM при разработке машин семейства IBM-360 для описания тех средств, которыми может пользоваться программист, составляя программу на уровне машинных команд. Подобную трактовку называют “узкой”, и охватывает она перечень и формат команд, формы представления данных, механизмы ввода/вывода, способы адресации памяти и т.п. Из рассмотрения выпадают вопросы физического построения вычислительных средств: состав устройств, число регистров процессора, емкость памяти, наличие специального блока для обработки вещественных чисел, тактовая частота центрального процессора и т.д. Этот круг вопросов принято определять понятием “организация” или “структурная организация”.

“Архитектура” (в узком смысле) и “организация” – это две стороны описания ВМ и ВС. Поскольку помимо теоретической строгости, такое деление не дает каких-либо преимуществ, то в дальнейшем будем пользоваться термином “архитектура”, объединяющем как архитектуру в узком смысле, так и организацию ВМ. Применительно к вычислительным системам термин “архитектура” дополнительно распространяется на вопросы распределения функций между составляющими ВС и взаимодействия этих составляющих.

При описании структуры ВМ можно предложить несколько степеней детализации ее структуры. Например, при представлении ВМ на первом уровне (в форме “черного ящика”) рассматриваются только входы и выходы ВМ. На втором уровне (уровень общей архитектуры) ВМ рассматривается в виде четырех составляющих: центрального процессора (ЦП), основной памяти (ОП), устройств ввода-вывода (УВВ) и системы шин. На третьем уровне детализируется устройство центрального процессора. В нем выделяются: арифметико-логическое устройство (АЛУ), обеспечивающее обработку целых чисел; блок обработки чисел в формате с плавающей точкой (БПЗ); регистры процессора; устройство управления (УУ), обеспечивающее совместное функционирование устройств ВМ; внутренние шины. На четвертом уровне детализируется устройство управления. В нем выделяются: логика программной последовательности – это электронные схемы, обеспечивающие выполнение команд программы в последовательности, предписываемой самой программой; регистров и дешифраторов устройства управления; управляющей памяти; логики формирования управления, генерирующей все необходимые управляющие сигналы. Эта классификация (по уровням детализации) является всего лишь одной из возможных.

Форматы команд

Типовая команда должна указывать:

а. подлежащую исполнению операцию;

б. адреса исходных данных (операндов), над которыми выполняется операция;

в. адрес, по которому должен быть помещен результат операции.

В соответствии с этим команда состоит из двух частей: операционной и адресной:

Операционная часть

Адресная часть

Формат команды определяет ее структуру, то есть количество разрядов, отводимых под всю команду, а также количество и расположение отдельных полей команды. Полем называется совокупность двоичных разрядов, кодирующих составную часть команды. При создании ВМ выбор формата команды влияет на многие характеристики будущей машины. Оценивая возможные форматы, нужно учитывать следующее:

а. общее число команд;

б. общую длину команды;

в. тип полей команды (переменной или фиксированной длины) и их длина;

г. простоту декодирования;

д. адресуемость и способы адресации;

е. стоимость оборудования для декодирования и исполнения команды.

Длина команды сильно влияет на организацию и емкость памяти, структуру шин, сложность и быстродействие центрального процессора. С одной стороны, нужно иметь как можно больше команд, операндов и способов адресации. А, с другой стороны, для ускорения выборки команды желательно, чтобы команда была короткой и ее дина была бы кратной ширине шины данных. Для упрощения аппаратуры длину команды выбирают кратной байту. В рамках системы команд одной ВМ могут использоваться разные форматы команд. Обычно это связано с применением разных способов адресации. В таком случае в состав кода команды вводится поле для задания способа адресации (СА):

КОп

СА

Адресная часть

Для определения количества адресов, включаемых в адресную часть, используется термин адресность. Вообще, нужно указать три компонента: адрес первого операнда, адрес второго операнда и адрес результата. В принципе, сюда может быть добавлен еще один адрес, указывающий место хранения следующей инструкции. В итоге имеет место четырехадресный формат команды:

Код операции

1-й операнд

2-й операнд

Результат

След. команда

Такой формат команды был у машины EDVAC (40-е годы).

В фон-неймановских ВМ необходимость в четвертом адресе отпадает, так как команды располагаются в памяти в порядке их выполнения, и адрес следующей команды может быть получен путем увеличения адреса текущей команды в счетчике команд. Это позволяет перейти к трехадресному формату команд:

Код операции

1-й операнд

2-й операнд

Результат

В трехадресном формате длина команды может оказаться весьма большой. Так, если адрес ячейки основной памяти имеет длину 32 бита, а длина кода операции – 8бит, то длина команды составит 104 бита (13 байт). Если по умолчанию взять за адрес результата адрес одного из операндов (обычно второго), то в итоге получим двухадресный формат команды:

Код операции

1-й операнд

2-й операнд/Результат

Команду еще можно сократить, перейдя к одноадресному формату, что возможно при выделении определенного стандартного места для хранения первого операнда и результата. Обычно для этой цели используется специальный регистр центрального процессора (ЦП), известный под названием аккумулятора:

Код операции

1-й или 2-й операнд

Применение единственного регистра для хранения одного из операндов и результата является ограничивающим фактором, поэтому помимо аккумулятора часто используют и другие регистры ЦП. Так как число регистров в ЦП невелико, для указания одного из них в команде достаточно иметь сравнительно короткое адресное поле. Соответствующий формат называется полутораадресным или регистровым:

Код операции

Регистр

2-й операнд

Наконец, если для обоих операндов указать стандартное местоположение, или команда не требует операндов, то можно получить нульадресный (безадресный) формат команды:

Код операции

При выборе количества адресов в команде следует руководствоваться следующими критериями:

а. емкостью запоминающего устройства, используемого для хранения программы;

б. временем выполнения программы;

в. эффективностью использования ячеек памяти при хранении программы.

Способы адресации

В современных ВМ исполнительный адрес (Аисп) и адресный код (Ак), как правило, не совпадают, и для доступа к данным требуется соответствующее преобразование. Способом адресации называют способ формирования исполнительного адреса операнда по адресному коду команды. Исполнительным адресом операнда (Аисп) называется двоичный код номера ячейки памяти, служащей источником или приемником операнда. Этот код подается на адресные входы запоминающего устройства (ЗУ), и по нему происходит фактическое обращение к указанной ячейке. Если операнд хранится не в основной памяти, а в регистре процессора, то исполнительным адресом будет номер регистра.

Для определения, какой способ адресации используется, в разных ВМ используют разные приемы. Часто разным способам адресации соответствуют разные коды операции. Другой подход – это добавление в состав команды специального поля способа адресации, содержимое которого определяет, какой из способов адресации используется. Иногда в команде присутствует несколько таких полей – по количеству адресов в программе. Может использоваться и неявная адресация, когда адресного поля просто нет, либо оно содержит не все необходимые адреса – отсутствующий адрес подразумевается кодом операции. Так, при исключении из команды адреса результата подразумевается, что он помещается на место второго операнда. Неявная адресация часто применяется, так как позволяет сократить длину команды.

В настоящее время используются следующие способы адресации:

а. Непосредственная адресация. В этом случае в адресном поле вместо адреса содержится сам операнд:

Код операции

Способ адресации

Непосредственный операнд

Этот способ может применяться при выполнении арифметических операций, операций сравнения, а также для загрузки констант в регистры.

б. Прямая адресация. При прямой или абсолютной адресации адресный код прямо указывает номер ячейки памяти, к которой производится обращение, то есть адресный код совпадает с исполнительным адресом:

в. Косвенная адресация. Одним из путей преодоления проблем прямой адресации, связанных с ограниченностью адресного поля команды, служит прием, когда указывается адрес ячейки, в свою очередь, содержащей полноразрядный адрес операнда. Недостаток косвенной адресации – необходимость двукратного обращения к памяти:

г. Регистровая адресация. Она напоминает прямую адресацию. Различие лишь в том, что адресное поле указывает не на ячейку памяти, а на регистр процессора. Обычно размер адресного поля здесь – три или четыре бита (адресация до 16 регистров):

д. Косвенная регистровая адресация. Здесь исполнительный адрес хранится в регистре процессора:

е. Адресация со смещением. Здесь исполнительный адрес формируется в результате суммирования содержимого адресного поля команды с содержимым одного или нескольких регистров процессора:

Некоторые из видов адресация со смещением имеют свои названия. Например:

– относительная адресация. При этом для получения исполнительного адреса операнда содержимое подполя Ак команды складывается с содержимым счетчика команд:

– базовая регистровая адресация. В этом случае регистр, называемый базовым, содержим полноразрядный адрес, а подполе Ас – смещение относительно этого адреса. Здесь может быть вариант с базовой регистровой адресацией с базовым регистром:

и базовая регистровая адресация с использованием РОН:

– индексная адресация. В этом случае подполе Ас содержит адрес ячейки памяти, а регистр (указанный явно или неявно) – смещение относительно этого адреса. Можно выделить индексную адресацию с индексным регистром:

и индексную адресацию с одним из РОН:

В большинстве случаев увеличение или уменьшение содержимого индексного регистра осуществляется автоматически до или после обращения к нему. Такой прием называется автоиндексированием. Автоиндексирование с увеличением содержимого индексного регистра называется автоинкрементной адресацией, а с уменьшением – автодекрементной адресацией. Также индексная адресация может быть с масштабированием и смещением.

ж. страничная адресация. Она предполагает разбиение адресного пространства на страницы. Старшая часть адреса хранится в специальном регистре – регистре адреса страницы (РАС), а в адресном коде команды указывается смещение внутри страницы. Исполнительный адрес получается конкатенацией (присоединением) Ас к содержимому РАС:

з. блочная адресация. Она используется в командах, единицей обработки которых является блок данных, расположенных в последовательных ячейках памяти. Этот способ удобен при работе с внешними запоминающими устройствами и в операциях с векторами. Блок данных обычно метится адресами начала и конца (или признаком конца блока, количества байт в блоке).

и. стековая адресация. Здесь в качестве адреса используется стек. Стеком называется память, по своей структурной организации отличная от основной памяти ВМ. Стек образует множество логически взаимосвязанных ячеек, взаимодействующих по принципу “последним вошел, первым вышел” (LIFO, Last In First Out). Верхнюю ячейку называют вершиной стека. Запись возможна только в верхнюю ячейку стека, при этом вся хранящаяся в стеке информация предварительно проталкивается на одну позицию вниз. Чтение допустимо также только из вершины стека. Извлеченная информация удаляется из стека, а оставшееся его содержимое продвигается вверх.

Цикл команды

Программа в фон-неймановской ЭВМ реализуется центральным процессором (ЦП) посредством последовательного исполнения образующих эту программу команд. Действия, требуемые для выборки (извлечения из основной памяти) и выполнения команды, называют циклом команды. В общем случае цикл команды включает в себя несколько составляющих (этапов):

а. выборку команды;

б. формирование адреса следующей команды;

в. декодирование команды;

г. вычисление адресов операндов;

д. выборку операндов;

е. исполнение операции;

ж. запись результата.

Перечисленные этапы выполнения команды называются стандартным циклом команды. Отметим, что не все из этапов присутствуют при выполнении любой команды (зависит от типа команды), тем не менее этапы выборки, декодирования, формирования адреса следующей команды и исполнения имеют место всегда.

В определенных ситуациях возможны еще два этапа:

а. косвенная адресация;

б. реакция на прерывание.

Кратко охарактеризуем каждый из этапов стандартного цикла команды. (распределение функций по разным этапам цикла команды и последовательность выполнения некоторых из них в реальных ВМ могут отличаться от излагаемых):

1. Этап выборки команды. Цикл любой команды начинается с того, что центральный процессор извлекает команду из памяти, используя адрес, хранящийся в счетчике команд (СК). Двоичный код команды помещается в регистр команды (РК) и с этого момента становится “видимым” для процессора. Без учета промежуточных пересылок и сигналов управления это можно описать следующим образом: РК:=ОП[(СК)]. Приведенная запись охватывает весь этап выборки, если длина команды совпадает с разрядностью ячейки памяти. В то же время система команд многих ВМ предполагает несколько форматов команд, причем в разных форматах команда может занимать 1, 2 или более ячеек, а этап выборки команды можно считать завершенным лишь после того, как в РК будет помещен полный код команды. Информация о фактической длине команды содержится в полях кода операции и способа адресации. Обычно эти поля располагают в первом слове кода команды, и для выяснения необходимости продолжения процесса выборки необходимо предварительное декодирование их содержимого. Такое декодирование может быть произведено после того, как первое слово кода команды окажется в РК. В случае многословного формата команды процесс выборки продолжается вплоть до занесения в РК всех слов команды.

2. Этап формирования адреса следующей команды. Для фон-неймановских машин характерно размещение соседних команд программы в смежных ячейках памяти. Если извлеченная команда не нарушает естественного порядка выполнения программы, для вычисления адреса следующей выполняемой команды достаточно увеличить содержимое счетчика команд на длину текущей команды, представленную количеством занимаемых кодом команды ячеек памяти. Для однословной команды это описывается микрооперацией +1СК: СК:=СК+1. Длина команды, а также то, способна ли она изменить естественный порядок выполнения команд программы, выясняются в ходе ранее упоминавшегося предварительного декодирования. Если извлеченная команда способна изменить последовательность выполнения программы (команда условного или безусловного перехода, вызова процедуры и т. п.), процесс формирования адреса следующей команды переносится на этап исполнения операции. В силу сказанного, в ряде ВМ рассматриваемый этап цикла команды следует не за выборкой команды, а находится в конце цикла.

3. Этап декодирования команды. После выборки команды она должна быть декодирована, для чего ЦП расшифровывает находящийся в РК код команды. В результате декодирования выясняются следующие моменты:

– находится ли в РК полный код команды или требуется дозагрузка остальных слов команды;

– какие последующие действия нужны для выполнения данной команды;

– если команда использует операнды, то откуда они должны быть взяты (номер регистра или адрес ячейки основной памяти);

– если команда формирует результат, то куда этот результат должен быть направлен.

Ответы на два первых вопроса дает расшифровка кода операции, результатом которой может быть унитарный код, где каждый разряд соответствует одной из команд, что можно описать в виде УнитК:=decod(KОп). На практике вместо унитарного кода могут встретиться самые разнообразные формы представления результатов декодирования, например адрес ячейки специальной управляющей памяти, где хранится первая микрокоманда микропрограммы для реализации указанной в команде операции. Полное выяснение всех аспектов команды, помимо расшифровки кода операции, требует также анализа адресной части команды, включая поле способа адресации. По результатам декодирования производится подготовка электронных схем ВМ к выполнению предписанных командой действий.

4. Этап вычисления адресов операндов. Этап имеет место, если в процессе декодирования команды выясняется, что команда использует операнды. Если операнды размещаются в основной памяти, осуществляется вычисление их исполнительных адресов, с учетом указанного в команде способа адресации. Так, в случае индексной адресации для получения исполнительного адреса производится суммирование содержимого адресной части команды и содержимого индексного регистра.

5. Этап выборки операндов. Вычисленные на предыдущем этапе исполнительные адреса используются для считывания операндов из памяти и занесения в определенные регистры процессора. Например, в случае арифметической команды операнд после извлечения из памяти может быть загружен во входной регистр АЛУ. Однако чаще операнды предварительно заносятся в специальные вспомогательные регистры процессора, а их пересылка на вход АЛУ происходит на этапе исполнения операции.

6. Этап исполнения операции. На этом этапе реализуется указанная в команде операция. В силу различия сущности каждой из команд ВМ, содержание этого этапа также индивидуально.

7. Этап записи результата. Этап записи результата присутствует в цикле тех команд, которые предполагают занесение результата в регистр или ячейку основной памяти. Фактически его можно считать частью этапа исполнения, особенно для тех команд, которые помещают результат сразу в несколько мест.

Основная память

Основная память (ОП) представляет собой единственный вид памяти, к которой ЦП может обращаться непосредственно (исключение составляют лишь регистры центрального процессора). Информация, хранящаяся на внешних ЗУ, становится доступной процессору только после того, как будет переписана в основную память.

Основную память образуют запоминающие устройства с произвольным доступом. Такие ЗУ образованы как массив ячеек. Каждая ячейка содержит фиксированное число запоминающих элементов и имеет уникальный адрес, позволяющий различать ячейки при обращении к ним для выполнения операций записи и считывания.

Основная память может включать в себя два типа устройств: оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ).

Преимущественную долю основной памяти образует ОЗУ, называемое оперативным, потому что оно допускает как запись, так и считывание информации, причем обе операции выполняются однотипно, практически с одной и той же скоростью, и производятся с помощью электрических сигналов. В англоязычной литературе ОЗУ соответствует аббревиатура RAM – Random Access Memory, то есть “память с произвольным доступом”, что не совсем корректно, поскольку памятью с произвольным доступом являются также ПЗУ и регистры процессора. Для большинства типов полупроводниковых ОЗУ характерна энергозависимость – даже при кратковременном прерывании питания хранимая информация теряется. Микросхема ОЗУ должна быть постоянно подключена к источнику питания и поэтому может использоваться только как временная память. ОЗУ делятся на синхронные и асинхронные, статические и динамические. Операции с синхронными ОЗУ производятся в одно и то же время с тактовыми импульсами ЦП, асинхронные – соответственно в произвольные моменты времени. В статических ОЗУ запоминающий элемент может хранить записанную информацию неограниченно долго (при наличии питающего напряжения). Запоминающий элемент динамического ОЗУ способен хранить информацию только в течение достаточно короткого промежутка времени, после которого информацию нужно восстанавливать заново, иначе она будет потеряна. Динамические ЗУ, как и статические, энергозависимы.

Вторую группу полупроводниковых ЗУ основной памяти образуют энергонезависимые микросхемы ПЗУ (ROM – Read-Only Memory). ПЗУ обеспечивает считывание информации, но не допускает ее изменения (в ряде случаев информация в ПЗУ может быть изменена, но этот процесс сильно отличается от считывания и требует значительно большего времени). ПЗУ делятся на ПЗУ, программируемые при изготовлении; однократно программируемые ПЗУ; многократно программируемые ПЗУ (EPROM – Erasable Programmable ROM – стираемые программируемые ПЗУ; EEPROM –Electrically Erasable Programmable ROM – электрически стираемые ПЗУ; флеш-память).

Внешняя память

Важным звеном в иерархии запоминающих устройств является внешняя, или вторичная память, реализуемая на базе различных ЗУ. Наиболее распространенные виды таких ЗУ – это магнитные и оптические диски и устройства на базе магнитной ленты.

1. Магнитные диски. Информация в ЗУ на магнитных дисках (МД) хранится на плоских металлических или пластиковых пластинах (дисках), покрытых магнитным материалом. Данные записываются и считываются с диска с помощью электромагнитной катушки, называемой головкой считывания/записи, которая в процессе считывания и записи неподвижна, в то время как диск вращается относительно нее. При записи на головку считывания/записи подаются электрические импульсы, намагничивающие участок поверхности под ней, причем характер намагниченности поверхности различен в зависимости от направления тока в катушке. Считывание базируется на электрическом токе, наводимом в катушке головки, под воздействием перемещающегося относительно нее магнитного поля. Когда под головкой проходит участок поверхности диска, в катушке наводится ток той же полярности, что использовался для записи информации. Несмотря на разнообразие типов магнитных дисков, принципы их организации обычно однотипны. Данные на диске организованы в виде набора концентрических окружностей, называемых дорожками. Каждая из них имеет ту же ширину, что и головка. Соседние дорожки разделены промежутками. Это предотвращает ошибки из-за смещения головки или из-за интерференции магнитных полей. Как правило, для упрощения электроники принимается, что на всех дорожках может храниться одинаковое количество информации. Таким образом, плотность записи увеличивается от внешних дорожек к внутренним. Обмен информацией с МД осуществляется блоками. Размер блока обычно меньше емкости дорожки, и данные на дорожке хранятся в виде последовательных областей – секторов, разделенных между собой промежутками. Размер сектора равен минимальному размеру блока. Типовое число секторов на дорожке колеблется от 10 до 100. При такой организации должны быть заданы точка отсчета секторов и способ определения начала и конца каждого сектора. Все это обеспечивается с помощью форматирования, в ходе которого на диск заносится служебная информация, недоступная пользователю и используемая только аппаратурой дискового ЗУ. Метод записи/чтения у МД может быть как контактный (гибкие магнитные диски), так и бесконтактный (НЖД типа “Винчестер”).

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

а. CD-ROM. Для аудио компакт-дисков и CD-ROM используется идентичная технология. Основное отличие состоит в том, что проигрыватели CD-ROM более прочные и содержат устройства для исправления ошибок, обеспечивающие корректность передачи данных с диска в ВМ. Диск изготавливается из пластмассы, например поликарбоната, и покрыт окрашенным слоем с высокой отражающей способностью, обычно алюминием. Цифровая информация заносится в виде микроскопических углублений в отражающей поверхности. Запись информации производится с помощью сильно сфокусированного луча лазера высокой интенсивности. Так создается так называемый мастер-диск, с которого затем печатаются копии. Углубления на копии защищаются от пыли и повреждений путем покрытия поверхности диска прозрачным лаком. Информация с диска считывается маломощным лазером, расположенным в проигрывателе. Лазер освещает поверхность вращающегося диска сквозь прозрачное покрытие. Интенсивность отраженного луча лазера меняется, когда он попадает в углубление на диске. Эти изменения фиксируются фотодетектором и преобразуются в цифровой сигнал. Углубления, расположенные ближе к центру диска, перемещаются относительно луча лазера медленнее, чем более удаленные. Из-за этого необходимы меры для компенсации различий в скорости так, чтобы лазер мог считывать информацию с постоянной скоростью. Одно из возможных решений аналогично применяемому в магнитных дисках - увеличение расстояния между битами информации, в зависимости от ее расположения на диске. В этом случае диск может вращаться с неизменной скоростью и, соответственно, такие дисковые ЗУ известны как устройства с постоянной угловой скоростью (CAV, Constant Angular Velocity). Ввиду нерационального использования внешней части диска метод постоянной угловой скорости в CD-ROM не поддерживается. Вместо этого информация по диску размещается в секторах одинакового размера, которые сканируются с постоянной скоростью за счет того, что диск вращается с переменной скоростью. В результате углубления считываются лазером с постоянной линейной скоростью (CLV, Constant Linear Velocity). При доступе к информации у внешнего края диска скорость вращения меньше и возрастает при приближении к оси. Емкость дорожки и задержки вращения возрастают по мере смещения от центра к внешнему краю диска. Выпускаются CD различной емкости. В типовом варианте расстояние между дорожками составляет 1,6 мкм, что, с учетом промежутков между дорожками, позволяет обеспечить 20344 дорожки. Фактически же, вместо множества концентрических дорожек, имеется одна дорожка в виде спирали, длина которой равна 5,27 км. Постоянная линейная скорость CD-ROM – 1,2 м/с, то есть для “прохождения” спирали требуется 4391с. или 73,2 мин. Именно эта величина составляет стандартное максимальное время проигрывания аудиодиска. Так как данные считываются с диска со скоростью 176,4 Кбайт/с, емкость CD равна 774,57 Мбайт. Данные на CD-ROM организованы как последовательность блоков, содержащих определенные поля.

б. WORM. Технология дисков WORM – дисков с однократной записью и многократным считыванием, была разработана для мелкосерийного производства оптических дисков. Такие диски предполагают ввод информации лучом относительно мощного лазера. При этом пользователь с помощью несколько более дорогого, чем CD-ROM, устройства может единожды записать информацию, а затем многократно ее считывать. Для обеспечения более быстрого доступа в устройстве поддерживается метод постоянной угловой скорости при относительном снижении емкости. Типовая техника подготовки такого диска предполагает мощный лазер для создания на поверхности диска последовательности пузырьков. Для записи информации предварительно отформатированный пузырьками диск помещается в накопитель WORM, где имеется маломощной лазер, тепла от которого тем не менее достаточно для того, чтобы “взорвать” пузырек. В процессе операции считывания лазер в накопителе WORM освещает поверхность диска. Так как “взорванный” пузырек создает более высокий контраст, чем окружающая поверхность, его легко распознать с помощью простой электроники. Данный тип носителя привлекателен для архивного хранения документов и файлов.

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

В современное время для записи цифровой информации используются также диски, предназначенные для записи видеоинформации (формат DVD) емкостью от 4,7 Гбт до 18,8 Гбт на диск. Типы их соответствуют типам, принятым для CD-дисков.

3. Магнитные ленты. ЗУ на базе магнитных лент используются в основном для архивирования информации. Носителем служит тонкая полистироловая лента шириной от 0,38-2,54 см и толщиной около 0,025 мм, покрытая магнитным слоем. Лента наматывается на бобины различного диаметра. Данные записываются последовательно, байт за байтом, от начала ленты до ее конца. Время доступа к информации на магнитной ленте значительно больше, чем у ранее рассмотренных видов внешней памяти. Обычно вдоль ленты располагается 9 дорожек, что позволяет записывать поперек ленты байт данных и бит паритета. Информация на ленте группируется в блоки – записи. Каждая запись отделяется от соседней межблочным промежутком, дающим возможность позиционирования головки считывания/записи на начало любого блока. Идентификация записи производится по полю заголовка, содержащемуся в каждой записи. Для указания начала и конца ленты используются физические маркеры в виде металлизированных полосок, наклеиваемых на магнитную ленту, или прозрачных участков на самой ленте. Известны также варианты маркирования начала и конца ленты путем записи на нее специальных кодов-индикаторов. В универсальных ВМ обычно применяются бобинные устройства с вакуумными системами стабилизации скорости перемещения ленты. В них скорость перемещения ленты составляет около 300 см/с, плотность записи – 4 Кбайт/см, а скорость передачи информации – 320 Кбайт/с. Типовая бобина содержит 730 м магнитной ленты. В ЗУ на базе картриджей используются кассеты с двумя катушками, аналогичные стандартным аудиокассетам. Типовая ширина ленты – 8 мм. Наиболее распространенной формой таких ЗУ является DAT (Digital Audio Tape). Данные на ленту заносятся по диагонали, как это принято в видеокассетах. По размеру такой картридж примерно вдвое меньше, чем обычная компакт-кассета, и имеет толщину 3,81 мм. Каждый картридж позволяет хранить несколько гигабайтов данных. Время доступа к данным невелико (среднее между временами доступа к дискетам и к жестким дискам). Скорость передачи информации выше, чем у дискет, но ниже, чем у жестких дисков. Вторым видом ЗУ на базе картриджей является устройство стандарта DDS (Digital Data Storage). Этот стандарт был разработан в 1989 году для удовлетворения требований к резервному копированию информации с жестких дисков в мощных серверах и многопользовательских системах. В сущности, это вариант DAT, обеспечивающий хранение 2 Гбайт данных при длине ленты 90 м. В более позднем варианте стандарта DDS-DC (Digital Data Storage – Data Compression) за счет применения методов сжатия информации емкость ленты увеличена до 8 Гбайт. Наконец, третий вид ЗУ на базе картриджей также предназначен для резервного копирования содержимого жестких дисков, но при меньших объемах такой информации. Этот тип ЗУ отвечает стандарту QIC (Quarter Inch Cartridge tape) и более известен под названием стример. Известны стримеры, обеспечивающие хранение от 15 до 525 Мбайт информации. В зависимости от информационной емкости и фирмы-изготовителя изменяются и характеристики таких картриджей. Так, число дорожек может варьироваться в диапазоне от 4 до 28, длина ленты – от 36 до 300 м и т. д. У современных НМЛ емкость хранимой информации достигает величин сотен Гбт.

Литература

1. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем: Учебник для вузов. – СПб.: Питер, 2004. – 668с.: ил.

2. Боборыкин А.В., Липовецкий Г.П., Литвинский Г.В. и др. Однокристальные микроЭВМ. – М.: МИКАП, 1994. – 400с.

3. Евстифеев А.В. Микроконтроллеры AVR семейств Tiny и Mega фирмы Atmel, 2-е изд., стер. – М.: Издательский дом “Додэка-XXI”, 2005. – 560с.

Оглавление

Основные понятия курса.. 1