Архитектура компьютеров Лекция 6. Вторичная память

Архитектура компьютеров
Лекция 6. Вторичная память.
Подсистема ввода-вывода
А. М. Пеленицын
apel@sfedu.ru
Южный федеральный университет
Институт математики, механики и компьютерных наук им. И. И. Воровича
Кафедра информатики и вычислительного эксперимента
Весна 2016
А. М. Пеленицын (Мехмат ЮФУ)
Вторичная память. Подсистема I/O (1)
Весна 2016
1 / 21
Иерархия памяти
Рост
I
стоимости за 1 бит ↑,
I
объёма ↓,
I
скорости доступа ↑.
Энергозависимость.
А. М. Пеленицын (Мехмат ЮФУ)
Вторичная память. Подсистема I/O (1)
Весна 2016
2 / 21
Устройство магнитных дисков
Винчестер: модель 1894 года с патронами .30-30
А. М. Пеленицын (Мехмат ЮФУ)
Вторичная память. Подсистема I/O (1)
Весна 2016
4 / 21
Устройство магнитных дисков
Винчестер IBM 3340 @ System/370, 1973 г.
Проектировался для хранения двух блоков по 30 Мб.
Первые HDD изобретены IBM в 1956 г.
А. М. Пеленицын (Мехмат ЮФУ)
Вторичная память. Подсистема I/O (1)
Весна 2016
5 / 21
Устройство магнитных дисков
Схема современного жёсткого диска
Жёсткий
магнитный
диск
Шпиндель Головка
Кронштейн
Ось вращения кронштейна
Разъём питания
Устройство
позиционирования
А. М. Пеленицын (Мехмат ЮФУ)
Блок перемычек
IDE разъём
Вторичная память. Подсистема I/O (1)
Весна 2016
6 / 21
Устройство магнитных дисков
Технология магнитной записи
Read
current
MR
sensor
a
Tr
w
ck
h
idt
Write current
Shield
Inductive
write element
Magnetization
Recording
medium
А. М. Пеленицын (Мехмат ЮФУ)
Вторичная память. Подсистема I/O (1)
Весна 2016
7 / 21
Устройство магнитных дисков
Сектора и дорожки
Сектора
Межсекторное
пространство
Дорожки
Междорожечное
пространство
• • •
S6
• • •
S6
SN
S5
S5
SN
S1
S4
S4
S1
S2
S2
S3
S3
А. М. Пеленицын (Мехмат ЮФУ)
Вторичная память. Подсистема I/O (1)
Весна 2016
8 / 21
Устройство магнитных дисков
Фрагмент дорожки жёсткого диска
А. М. Пеленицын (Мехмат ЮФУ)
Вторичная память. Подсистема I/O (1)
Весна 2016
9 / 21
Устройство магнитных дисков
Параметры жёсткого диска
I
скорость позиционирования головки (seek): 5-10 мс;
I
5’000–10’000 дорожек;
I
скорость вращения шпинделя: 5’400, 7’200, 10’800 об./мин.;
I
1–12 магнитных пластин;
I
геометрия диска: цилиндр — головка — сектор (CHS).
А. М. Пеленицын (Мехмат ЮФУ)
Вторичная память. Подсистема I/O (1)
Весна 2016
10 / 21
Устройство магнитных дисков
Контроллер жёсткого диска: функции
I
Обеспечение простого интерфейса:
I
I
поддержка команд READ, WRITE, FORMAT и т. д.
LBA (Logical Block Addressing, линейный адрес) → CHS;
I
преобразование последовательности битов в байты и наоборот;
I
кэширование;
I
учёт повреждённых секторов.
А. М. Пеленицын (Мехмат ЮФУ)
Вторичная память. Подсистема I/O (1)
Весна 2016
11 / 21
Устройство магнитных дисков
SSD — «убийца» HDD?
А. М. Пеленицын (Мехмат ЮФУ)
Вторичная память. Подсистема I/O (1)
Весна 2016
12 / 21
Интерфейсы вторичной памяти и некоторых I/O-устройств
Жёсткие диски IDE (Integrated Drive Electronic)
aka ATA (AT Attachment, AT = Advanced Technology от IBM PC AT)
I
середина 1980-х, IBM PC XT, BIOS-интерфейс;
I
CHS: 10-4-6 бит 7→ 504 Мб;
EIDE (Extended IDE / ATA-2):
I
I
I
28 бит для LBA, заменившего CHS 7→ 128 Гб;
до 4-х дисков; CD-ROM / DVD;
I
ATAPI (Packet Interface, более «умная» шина);
I
2003 г. Serial ATA (SATA).
А. М. Пеленицын (Мехмат ЮФУ)
Вторичная память. Подсистема I/O (1)
Весна 2016
14 / 21
Интерфейсы вторичной памяти и некоторых I/O-устройств
SCSI (Small Computer System Interface), 1979/86 г.
I
I
I
I
“SCSI is an intelligent, peripheral, buffered, peer to peer interface”;
интерфейс «премиум-класса»
(компьютеры Sun SPARC, Apple в 90-е);
топология ёлочной гирлянды;
параллельный интерфейс.
А. М. Пеленицын (Мехмат ЮФУ)
Вторичная память. Подсистема I/O (1)
Весна 2016
15 / 21
Загружаем Windows 95 по SCSI
Интерфейсы вторичной памяти и некоторых I/O-устройств
RAID
(redundant array of independent/inexpensive disks)
I
1988 г., статья Д. Паттерсона и др.;
I
RAID vs. SLED (Single Large Expensive Disk);
I
параллелизм;
I
шесть оригинальных «уровней»: RAID 0, RAID 1, . . .
I
серверные решения, SCSI.
А. М. Пеленицын (Мехмат ЮФУ)
Вторичная память. Подсистема I/O (1)
Весна 2016
17 / 21
Интерфейсы вторичной памяти и некоторых I/O-устройств
RAID 0, 1, 10
А. М. Пеленицын (Мехмат ЮФУ)
Вторичная память. Подсистема I/O (1)
Весна 2016
18 / 21
Контроль ошибок памяти
ECC — Error-Correcting/Controlling Codes
(помехоустойчивые коды) (1)
I
Сообщения длины k и кодовые слова длины n, n > k;
I
метрика Хэмминга;
простейший код, контролирующий ошибки:
I
I
I
код проверки чётности;
простейший код, исправляющий ошибки:
I
код троекратного повторения.
А. М. Пеленицын (Мехмат ЮФУ)
Вторичная память. Подсистема I/O (1)
Весна 2016
20 / 21
Контроль ошибок памяти
ECC — Error-Correcting/Controlling Codes (2)
Кодовое пространство F32 (F2 = {0, 1}):
110
Код проверки чётности:
110
111
010
011
111
010
011
101
101
100
000
100
001
000
Вычисление расстояния Хэмминга:
001
Код троекратного повторения:
110
110
111
111
010
010
011
101
101
100
100
000
А. М. Пеленицын (Мехмат ЮФУ)
000
001
Вторичная память. Подсистема I/O (1)
011
001
Весна 2016
21 / 21