ГоловнаЗворотній зв'язок
Главная->Математика і інформатика->Содержание->6.6. Интерфейсы и контроллеры накопителей информации

Архитектура компьютеров

6.6. Интерфейсы и контроллеры накопителей информации

Под интерфейсом понимается описание способа взаимодействия различных компонентов компьютера друг с другом. Он определяет путь для передачи сигналов между функциональными блоками компьютера.

Первоначально дисковые накопители и их интерфейсы получали название, соответствующее способу технологи кодирования данных, MFM. Следующее поколение использовало улучшенный метод кодирования данных – RLL, и для этих накопителей потребовался новый интерфейс.

Дисковые накопители усовершенствовались другими способами. Вслед за накопителями MFM и RLL появились жесткие диски с интерфейсом ESDI, в него были внесены некоторые усовершенствования, которые увеличили скорость и емкость этих дисков. Популярность ESDI была непродолжительной, и накопители жестких и гибких дисков исчезли после появления дисковых устройств с интерфейсом IDE.

Отличительной особенностью интерфейса IDE является реализация функций контроллера в самом накопителе. Плата с электронными компонентами, которая обычно включается между системной шиной контроллера и самими накопителями, контроллером не является. Она выполняет функции дешифратора базовых адресов контроллера и формирователя интерфейсных сигналов. Контроллер накопителя предназначен для обеспечения операции преобразования и пересылки информации от головок чтения / записи к интерфейсу накопителя. Преимущество IDE накопителей проявляется, прежде всего, при приеме и передаче информации, в них оптимально согласованы прием и передача сигналов. Накопители с интерфейсом IDE связаны с контроллером 40-жильным плоским кабелем. Тактовая частота – 10 МГц и выше. При установке двух IDE HDD они должны конфигурироваться с помощью джамперов на их платах: первый винчестер – Master, второй – Slave. Общая скорость этих устройств не может превышать 1 Гбайта (около 504 Мбайт на один накопитель). Поэтому потребовалось создание нового интерфейса. Компания Western Digital разработала новый интерфейс ЕIDE.

В случае IDE интерфейса используется протокол обмена ATAPI (пакетный интерфейс АТА). Он позволяет подключить к физическому IDE интерфейсу системной платы дисководы компакт-дисков. Протокол ANAPI имеет расширенный набор команд.

Интерфейс ЕIDE имеет четыре основных особенности:

- использование IDE-накопителей емкостью свыше 504 Мбайт;

- более производительные режимы обмена данными;

- подключение к одному адаптеру до четырех устройств;

- поддержка ПУ, отличных от жестких дисков.

Для поддержки интерфейса ЕIDE BIOS реализует режим LBA. Работа с логическими блоками позволяет преодолеть ограничение в 504 Мбайта.

При использовании ЕIDE интерфейса повышается скорость обмена с диском и обеспечивается возможность установки в компьютере до четырех устройств IDE. Другие устройства (приводы CD-ROM, стримеры) должны поддерживать спецификацию ATAPI.

В устройствах ЕIDE предусмотрен режим экономии электроэнергии. При этом режиме двигатель винчестера сам останавливается при отсутствии обращения к нему в течение временного интервала, определяемого пользователем системы.

Более производительный обмен данными обеспечивается реализацией режима PIO (Processor Input / Output). Обмен данными обеспечивает режим прямого доступа в память, который позволяет занимать системную шину для передачи нескольких слов при одном обращении.

Другим распространенным способом соединения накопителей информации с компьютером является интерфейс SCSI.

Интерфейс SCSI не разрабатывался специально для работы с дисковыми устройствами, он представляет собой миниатюрную сеть, построенную в пределах одного компьютера. Для подсоединения устройства любого типа с этим интерфейсом к ЭВМ необходимо наличие специальной платы расширения, называемой адаптером SCSI. Эта карта расширения используется в качестве моста между системной шиной ПК и шиной SCSI.

В отличие от последовательных интерфейсов (IDE и EIDE), SCSI осуществляет параллельную пересылку данных, что существенно повышает скорость обмена данными.

Устройства, подключаемые к шине SCSI, могут выступать в двух вариантах: ведущий (например, ПК) и ведомый (например, винчестер). В стандарте выделяются четыре схемы подключения устройств:

- один ведущий и один ведомый;

- один ведущий и несколько ведомых;

- несколько ведущих и один ведомый;

- несколько ведущих и несколько ведомых.

К шине одновременно может быть подключено до 8 устройств, в том числе основной (хост) адаптер SCSI. Если необходимо подключить более семи устройств, то следует использовать второй хост-адаптер. Большинство систем позволяет использовать до 4 хост-адаптеров.

Хост-адаптер SCSI имеет собственную BIOS, которая занимает обычно 16 Кбайт в верхней области памяти UMB. Для осуществления обмена с процессором адаптер SCSI использует такие системные ресурсы, как порты ввода-вывода, прерывания IRQ и каналы прямого доступа в память DMA.

Стандарт SCSI содержит нормированный список команд CCS, который обеспечивает доступ к данным с помощью адресации логических, а не физических блоков (интерфейс ESDI). Программное обеспечение для интерфейса SCSI не оперирует физическими характеристиками винчестера (то есть числом цилиндров, головок и так далее), а имеет дело только с логическими блоками. Это дает возможность работать практически с любыми блочными устройствами.

На магистрали SCSI возможны синхронные и асинхронные передачи. Чтобы передать данные ведущему в асинхронном режиме, ведомое устройство выдает их на шину данных вместе с сигналом запроса. В этом случае данные на шине должны удерживаться до тех пор, пока от ведущего устройства не будет принят сигнал подтверждения. Только после этого на шину могут выдаваться другие данные.

Когда оба устройства могут выполнять синхронную передачу данных, ведущее не будет ждать поступления сигнала подтверждения перед выдачей сигнала запроса для приема следующих данных. После выдачи определенной серии импульсов запроса ведущее устройство сравнивает его с числом подтверждений, чтобы удостовериться в том, что группа данных принята успешно. Передача данных в синхронном режиме осуществляется быстрее.

Контроллер накопителя предназначен для обеспечения операции преобразования и пересылки информации от головок чтения к интерфейсу накопителя. Контроллер жестких дисков представляет собой сложнейшее устройство – микрокомпьютер, со своим процессором, ОЗУ и ПЗУ, схемами и системой ввода / вывода и тому подобное.

Контроллер занимается множеством операций преобразования потока данных, так как длина дорожек неравна, данные на различные дорожки необходимо записывать неравномерно. Это становится проблемой с высокой плотностью записи (число дорожек более 1000). Простые контроллеры, как правило, записывают одно и то же количество информации на каждую дорожку, независимо от ее длины. Для этого контроллер упаковывает данные более плотно, начиная с определенной по счету дорожки. Цилиндр, с которого начинается более плотная упаковка данных, называется цилиндром начальной прекомпенсации информации при чтении, запись данных производится с предварительным смещением битов, которое учитывает искажения.

Данные, записываемые в сектора, защищаются от некоторых ошибок (Error Correction Code - ECC). Записывая байты на диск, адаптер производит накопление циклическим делением входных данных на специальный полином, остатка от деления, который представляет собой уникальную комбинацию бит и записывается контроллером вместе с данными. Число байт ЕСС для каждого устройства определяется видом используемого полинома. При считывании данных производится аналогичное накопление и расчет контрольной суммы. В случае несовпадения результатов рассчитываемого и хранимого с данными ЕСС, производится попытка восстановления – коррекции данных при помощи полинома, имеющихся данных и контрольной суммы. Восстановление данных происходит на уровне контроллера и прозрачно для программ и пользователя.

Большинство современных накопителей поддерживают режим работы контроллеров Ultra DMA, DMA, DMA 2 и PIO. DMA – прямой доступ к памяти – режим взаимодействия контроллера накопителя и интерфейса ПК, при котором обмен данными по интерфейсу осуществляется без участия процессора ПК. Режим DMA позволяет заметно разгрузить процессор по сравнению с режимом PIO (программный ввод / вывод), при котором все пересылки выполняет непосредственно центральный процессор ПК. Скорость обмена в режиме DMA 2 может достигать 16,6 Мб/с. А накопители и системы с поддержкой режима Ultra DMA, при использовании соответствующего драйвера, могут передавать и принимать информацию со скоростью 33,6 или 66 Мб/с. Однако, это лишь предельно возможные скорости обмена данными контроллера с буфером накопителя.

 

 

37