Вопрос 18. Системы ввода-вывода

Одной из наиболее правильной оценок производительности системы является время ответа (время между момента ввода пользователем задания и получения им результата), который учитывает все накладные расходы, связанные с выполнением задания в системе, включая ввод-вывод.

Система ввода-вывода – комплекс средств обмена информации с внешними устройствами, который является важнейшей частью архитектуры процессора и ЭВМ в целом. К ней относятся:

· способы подключения к системной шине различного оборудования

· процедуры взаимодействия процессора с этим оборудованием

· команды процессора, предназначенные для обмена данными с внешними устройствами

· непосредственно устройства ввода-вывода.

Логическую схему современного компьютера можно представить в виде системной шины (магистрали) к которой подключен сам компьютер и все устройства компьютера.

A – адресат, D – данные, M/IQ – один из сигналов управления (3 левые стрелки аналогичны всем остальным тройкам стрелок, ведущим к системной шине).

Микропроцессор – арифметико-логическое устройство, кэш, управляющее устройство.

Системная шина представляет собой набор линий (проводов), к которым единообразно подключаются все устройства компьютера. В более широком плане понятие системной шины включает в себя электрические и логические характеристики сигналов, их назначение, а также правила взаимодействия этих сигналов при выполнении тех или иных операциях (протоколы обмена информации).

Процессор, желая записать данные по некоторому адресу в памяти, выставляет в линии адресов требуемый адрес, а по линии данных - данные. Устройство управления памятью расшифровывает поступивший адрес, и принимает с линии данных поступившие данные и заносит их в соответствующую ячейку.

Системные и локальные шины.

Одним из простейших механизмов, позволяющих организовать взаимодействие простых подсистем, является единственная центральная шина. Имеет 2 основных преимущества: низкая стоимость, универсальность. Основной недостаток: ограничение максимальной пропускной способности.

Причины трудностей:

· физические факторы: длина шины и количество подсоединяемых устройств.

· ограничение фактической пропускной способности.

Традиционно шины делятся на шины, обеспечивающие связь процессора с памятью и шины ввода/вывода. С целью снижения стоимости некоторые компьютеры имеют единственную шину и она называется системной. Необходимость сохранения баланса производительности по мере роста производительности микропроцессоров, привела к двухуровневой организации шины ПК на основе локальной шины.

Локальной шиной называется шина, электрически выходящая непосредственно на контакты микропроцессора. Она обычно объединяет процессор, память, схемы буферизации для системной шины, и её контроллер, а также некоторые вспомогательные шины.

В настоящее время используется 2 типа шин, отличающихся способом коммутации: 1) шины с коммутацией цепей 2) шины с коммутацией пакетов. Второй тип шин обеспечивает значительно большую пропускную способность по сравнению с первой за счет разделения транзакций на две логические части: запроса шины и ответа.

Накопитель на магнитных дисках (НМД) представляет собой набор пластин, магнитных головок, кареток, линейных двигателей плюс воздухонепроницаемый корпус. Дисковым устройством называется НМД с относящимися к нему электронными схемами.

Другим направлением развития систем хранения информации являются магнитооптические диски. Запись на них выполняется при взаимодействии лазера и магнитной головки. Луч лазера разогревает до точки Кюри (температуры потери материалом магнитных свойств) микроскопическую область записывающего слоя, которая при выходе из зоны действия лазера остывает, фиксируя магнитное поле, наведенное магнитной головкой. В результате данные, записанные на диск, не боятся сильных магнитных полей и колебаний температуры. МО-диски уступают обычным жестким магнитным дискам лишь по времени доступа к данным.

Для достижения повышенного уровня отказоустойчивости, приходится жертвовать пропускной способностью ввода\вывода или емкостью памяти. В этой ситуации используются дополнительные диски, которые содержат избыточную информацию, позволяющую остановить исходные данные при отказе диска (например, вместо 25 дорожек используется 20, но наличие дополнительных дорожек позволяет восстановить сигнал на других дорожках).

Существует несколько способов объединения дисков RAID.

RAID 1 – зеркальные диски. В этом случае все диски дублируются. Один из самых дорогостоящих.

RAID 2 – матрица с поразрядным расслоением. Вводятся избыточные контрольные разряды для исправления одиночных и обнаружения двойных ошибок. Один диск контроля четности позволяет обнаружить одиночную ошибку, но для ее исправления требуется больше дисков.

RAID 3 – аппаратное обнаружение ошибок и четность. Большинство контроллеров в состоянии определить, когда диск отказал. По существу, если контроллер может определить положение ошибочного разряда, то для восстановления данных требуется лишь один бит четности. Уменьшение числа контрольных дисков до одного на группу снижает избыточность емкости до вполне разумных размеров.

RAID 4 – внутригрупповой параллелизм. RAID уровня 4 повышает производительность передачи небольших объемов данных за счет параллелизма, давая возможность выполнять более одного обращения по вводу/выводу к группе в единицу времени. В системах уровня 4 для записи небольших массивов данных используются два диска, которые выполняют четыре выборки (чтение данных плюс четности, запись данных плюс четности).

RAID 5 – четность вращения для распараллеливания записей Система уровня 5 улучшает возможности системы уровня 4 посредством распределения контрольной информации между всеми дисками группы.

RAID 6 – двумерная четность для обеспечения большой надежности.

Поиск по сайту: