Текст книги "Аппаратные средства персональных компьютеров"

Для подключения винчестеров используются несколько типов интерфейсов, но в персональных компьютерах почти всегда применяется 16-разрядный параллельный интерфейс IDE (Integrated Drive Electronics), он же – АТ-BUS, ATA[23]23
  Великая путаница с названиями для интерфейса IDE происходит оттого, что фирмы – производители жестких дисков в маркетинговых целях придумывают красивые термины. Соответственно, в настоящее время используются дублирующие термины для обозначения одного и того же.


[Закрыть] и его модернизации Ultra ATA с различными тактовыми частотами. Название интерфейса IDE образовалось вследствие того, что все управление винчестером находится в нем самом, а не как у более старых типов, когда контроллер находился на вспомогательной плате, вставляемой в ISA-слот. Заметим, что интерфейс IDE привязан к шине PCI (в компьютерах с 486 процессором и ранее интерфейс IDE реализовывался на шине ISA с помощью платы Multi I/O), пропускной способности которой для новейшей модернизации интерфейса АТА/100 уже не хватает.

Интерфейс IDE за почти двадцатилетнюю историю практически не изменился, оставаясь укороченной версией системной шины IBM PC AT, и лишь периодически подвергался модернизации для увеличения скорости обмена между винчестером и системной платой. Только в последнее время ему на смену приходит новый тип интерфейса – последовательный, или Serial, ATA (уровни логических сигналов всего 0,5 В). Переход на последовательный интерфейс вызван, в первую очередь, проблемами с синхронизацией параллельных сигналов интерфейса, т. к. простейший протокол обмена через интерфейс не обеспечивает надежную передачу данных на высоких тактовых частотах. В частности, вариант АТА/133, видимо, будут поддерживать не все изготовители винчестеров.

Примечание

Интерфейс SCSI используется, в основном, только в серверах, т. к. стоимость винчестеров с SCSI-интерфейсом почти в два раза выше, чем у винчестеров с IDE-интерфейсом. Подробности об интерфейсе SCSI приведены в гл. 8. Кратко лишь отметим, что повышенная производительность интерфейса SCSI объясняется отдельным контроллером (процессором), который регулирует потоки данных между устройствами, не используя ресурсы центрального процессора. Наибольшего эффекта от применения интерфейса SCSI можно достигнуть только в многозадачных операционных системах, когда надо одновременно выполнять несколько "тяжелых" приложений или при массовых запросах к данным на устройствах хранения.

Если быть точным, то «чистый» IDE-интерфейс позволяет обмениваться данными со скоростью до 2 Мбайт/с. Его модернизация под названием АТА (AT Attachment, ранее EIDE – Enhanced IDE), которая коснулась только протоколов обмена и соединительного шлейфа, ввела шесть режимов работы интерфейса, так называемые PIO-режимы[24]24
  Основной недостаток PIO-режимов – это участие центрального процессора в процессе передачи данных по интерфейсу IDE.


[Закрыть] (Programmed I/O), при которых программно задается скорость обмена через интерфейс. Все варианты интерфейса АТА (к названию прибавляется номер) совместимы по электрическим и механическим характеристикам. В табл. 9.2 приведены возможности интерфейса IDE в различных режимах.

Таблица 9.2. Скорости обмена данными для различных вариантов интерфейса АТА

Спецификация IDE определяет, что на системной плате устанавливается контроллер IDE-интерфейса с двумя одинаковыми каналами, к каждому из которых можно подключить до 2 равноправных устройств. То есть в персональном компьютере может одновременно работать до 4 винчестеров (или любых устройств с IDE-интерфейсом, а также с интерфейсом ATAPI, являющимся еще одной модернизацией интерфейса IDE). Заметим, что для увеличения количества подключаемых IDE-устройств можно использовать дополнительные платы IDE-контроллеров, устанавливаемых в слот PCI.

Примечание

Контролер IDE интерфейса на системной плате занимает или может занять аппаратные прерывания 14 и 15. При использовании 4 каналов возникает необходимость в прерываниях 10 и 12.

До скорости передачи данных в 33 Мбайт/с для IDE-кабеля (шлейфа) применяется 40-жильный плоский кабель. При желании использовать стандарты Ultra AT А/66 и Ultra АТА/100 надо заменить 40-жильный кабель на 80-жильный (рис. 9.16).

Рис. 9.16. 40– и 80-контактные шлейфы для винчестеров

Для интерфейса IDE используется кабель с 40-контактными разъемами (рис. 9.17) и длиной не более 46 см (18 дюймов). Практически всегда на нем установлено 3 разъема – один для подключения к системной плате и два для IDE-устройств. Каких-либо перекруток проводов не используется! Следует обратить внимание, что на 80-жильном кабеле также устанавливаются 40-контактные разъемы, а дополнительные 40 проводников заземляются внутри разъема.

Рис. 9.17. Кабель интерфейса IDE

Совет

Придется огорчить тех, кто без замены 40-жильного шлейфа пытается заставить работать винчестер в режиме Ultra АТА/66 и тем более Ultra АТА/100. В этих режимах в обязательном порядке необходимо использовать 80-жильный шлейф!

Так как все IDE-устройства, подключаемые к IDE-интерфейсу, равноправны и имеют одинаковые права на пользование каналом передачи информации, для идентификации адреса устройства используются два способа. Первый – это номер канала, к которому подключен, например, винчестер. Второй – установка с помощью джамперов на IDE-устройстве режимов Master (ведущее устройство) или Slave (ведомое устройство), что равносильно указанию адреса – устройство 1 или устройство 2.

Операционные системы Windows автоматически присваивают IDE-устройствам имена (первый диск С: будет всегда, независимо от того, как установлен винчестер), поэтому каких-либо дополнительных указаний пользователям делать не надо. В других операционных системах, например Linux, винчестерам присваиваются строго определенные имена: на первом канале винчестер Master – это hda, Slave – hdb, а на втором канале – hdc и hdd.

На рис. 9.18, а и б показаны два варианта установки джамперов для выбора адреса IDE-устройства. Следует заметить, что подобного способа придерживаются почти все производители CD-ROM и винчестеров, хотя последние вводят дополнительные джамперы, чтобы задавать специфические для конкретного изделия параметры. Например, корпорация IBM предлагает вариант, показанный на рис. 9.18, в, где дополнительно можно указать количество логических цилиндров (скажем, для винчестеров Maxtor можно установить предельный логический номер цилиндра). На корпусе винчестера или CD-ROM всегда приклеивается этикетка или выдавливаются в металле корпуса указания по правильной установке джамперов.

Рис. 9.18. Выбор режима для IDE-устройства: а – режим Master; б – режим Slave; в – выбор режима для винчестера корпорации IBM; г – перестановка джамперов с помощью пинцета

Можно заметить, что на рис. 9.18 присутствует еще одна позиция – CSEL или Cable Select (кабельная выборка). В этом режиме адрес винчестера задается его подключением к тому или иному разъему шлейфа, у которого между двумя разъемами для подключения винчестеров перекушен 28-й проводник. Правый (см. рис. 9.17) винчестер в этом случае будет вторичным (Slave). Впрочем, такой способ подключения IDE-устройств широкого распространения не получил.

Совет

При перестановке джамперов у винчестера всегда пользуйтесь пинцетом (рис. 9.18, г), а не подручными средствами типа ножа или отвертки.

При подключении шлейфа к винчестеру всегда надо быть внимательным и аккуратным не только из-за возможности повреждения паек на печатной плате контроллера, но и из-за того, что в ряде случаев контакты интерфейсного разъема и контакты для джамперов могут устанавливаться как бы одним контактным полем (рис. 9.19), хотя, конечно, между ними всегда остается промежуток.

Рис. 9.19. Контактное поле на винчестере Fujitsu

Для подключения питания к 3,5-дюймовым винчестерам используется 4-контактный разъем (рис. 9.20), с помощью которого подводится напряжение 12 и 5 В. Так как для ориентации разъема используют скошенные углы, то при слишком большом усилии его можно вставить наоборот, что приведет к выгоранию микросхем контролера.

Рис. 9.20. Подключение кабеля питания

Предупреждение

Так как современные винчестеры выходят из строя при подключении интерфейсного разъема другой стороной, то надо быть предельно внимательным при установке винчестера в компьютер, потому что эта операция почти всегда проводится вслепую. Для защиты от неправильной установки на корпусе IDE-разъема имеется ключ, а отверстие для 20-го контакта отсутствует (см. рис. 9.19). Практически всегда можно считать, что 1 провод (красный) шлейфа должен быть ближе к разъему питания.

Наиболее важные для пользователей параметры винчестеров – это объем дискового пространства и быстродействие. На оба параметра влияет ряд специфичных характеристик конструкции конкретного типа винчестера, т. е., например, винчестер с большим числом дисков не всегда имеет объем больший, чем винчестер с одним диском.

В общем виде объем винчестера рассчитывается по формуле:

Объем винчестера = С х Н х S х 512 байт,

где: С – количество цилиндров (дорожек) на одной поверхности ферромагнитного диска; Н – количество головок, которое равно количеству рабочих плоскостей (одна поверхность диска может использоваться для служебных нужд – синхронизации); S – количество секторов на дорожке. Так как стандартный размер сектора с подачи корпорации Microsoft равен 512, то в формуле присутствует это число.

Если посчитать объем установленного в компьютере винчестера и сравнить его с паспортными данными на винчестер, то можно заметить, что куда-то пропадает довольно значительное дисковое пространство. Дело тут в том, что в паспортах на винчестер указываются два варианта объема винчестера – первый относится к неформатированному дисковому пространству (то есть на диске не создана определенная структура для хранения данных), а второй – к форматированному. Например, на винчестер IBM объемом 80 Гбайт можно записать только 76,69 Гбайт пользовательских данных (файловая система FAT), а все остальное остается для служебных нужд.

Быстродействие винчестера – запись и чтение информации – зависит от множества факторов, определяемых как конструкцией винчестера и схемотехникой его контроллера, так и работой IDE-интерфейса. Например, скорость доступа к информации зависит от геометрии дискового пространства – распределения секторов по дорожкам и сторонам дисков, а т. к. винчестер – это механическое устройство, движущиеся части его обладают значительной инерцией.

Поскольку пользовательские данные разбиты на маленькие секторы, которые могут размещаться произвольно, то чтение файла, части которого расположены на разных дорожках, занимает больше времени, чем когда все части файла находятся на одной дорожке или на одном и том же номере дорожки, но на разных сторонах диска. Тут сказывается, что для перемещения головки с одной дорожки на другую требуется значительное время, порядка единиц и десятков миллисекунд, а это весьма большое время для современного компьютера. Например, у очень хороших винчестеров время перехода на соседнюю дорожку составляет около 1 мс, а в среднем (для случайного перехода на другую дорожку) – 8,5 мс.

При знакомстве с винчестерами полезно знать и понимать следующие термины.

• Время доступа (access time)  – это время от начала операции чтения до момента, когда начинается чтение данных.

• Время поиска (seek time)  – это время, которое необходимо для установки головок в нужную позицию (на дорожку, где будут производиться операции чтения/записи данных).

• Среднее время поиска (average seek time)  – усредненное время, требуемое для установки головок на случайно заданную дорожку.

• Время поиска при переходе на соседний трек (track-to-track seek time)  – время перехода головок с 1-й дорожки на 2-ю и т. д.

На быстродействие винчестера оказывает сильное влияние и то, как размещены секторы на дорожках и соседних сторонах дисков. Если все секторы будут идти друг за другом и параллельно на каждой стороне диска, то скорость доступа к информации будет не слишком велика, т. к. электроника, которая считывает данные с диска, имеет ограниченное быстродействие. Тем более, что в отличие от обычного магнитофона, данные на ферромагнитный диск записываются в закодированном виде, что позволяет повысить надежность хранения и уменьшить объем дискового пространства для хранения единиц информации. Соответственно, прочитав первый сектор, контроллер должен проверить достоверность считанной информации и лишь потом начать читать следующий сектор, но за это время под головкой будет не второй сектор, а какой-либо следующий. В этом случае приходится ждать, пока диск не сделает целый оборот, чтобы прочитать второй сектор. То же самое относится и к секторам на соседних плоскостях.

Для увеличения быстродействия еще в самых первых винчестерах использовался метод чередования секторов (Interleave), при котором номера секторов идут не последовательно, а как показано на рис. 9.21. Правда, в настоящее время в винчестерах используется буферная память объемом в 2 Мбайт, а иногда и 8 Мбайт, что позволяет считать сразу всю дорожку, поэтому чередование секторов на дорожке теперь не всегда применяют. А вот для секторов на соседних дорожках такой способ остался в силе, при этом чаще используют сдвиг между началами дорожек на разных сторонах.

Рис. 9.21. Размещение секторов на дорожке при Interleave 3

Как вы понимаете, длина дорожки, которая находится ближе к краю диска значительно больше, чем длина дорожки, расположенной у центра диска. Отсюда, плотность информации на наружных дорожках ниже, чем на внутренних. С этим фактом вынуждены считаться производители винчестеров, которые делят все дисковое пространство на зоны (Intelligent Zoned Recording), различающиеся различным числом секторов на дорожках. Иногда количество зон доходит до 18 (в старых винчестерах использовалось всего две зоны).

Вообще, внутреннее распределение секторов по поверхности диска может быть самым разнообразным, о чем очень часто знает только производитель винчестера, но для пользователей контроллер винчестера преобразует внутреннюю геометрию винчестера к общепринятой для компьютеров.

Заметим, что к современным винчестерам неприменима операция низкоуровневого форматирования, как для гибких дисков и старых винчестеров. Первоначальное форматирование производится на заводе-изготовителе, а попытка пользователя провести низкоуровневое форматирование чаще всего пресекается, хотя иногда такое сопротивление удается преодолеть, однако это приводит к ухудшению временных параметров винчестера.

Примечание

Скоростные винчестеры, увы, кроме положительных характеристик, имеют довольно неприятные недостатки. Например, уровень шума при чтении данных, расположенных в случайном порядке, достаточно велик, т. е. работа винчестера иногда напоминает рокот трактора. Для снижения уровня шума пользователь может с помощью специальных утилит, которые следует искать на сайте производителя конкретного винчестера, уменьшить скорость перехода головок между дорожками. Естественно, скорость доступа к данным несколько понизится, но зато повысится уровень комфортности при работе с персональным компьютером.

Изначально в компьютерах IBM PC доступ к дискам был организован с использованием прерывания Int 13 BIOS. А поскольку в то время объем любой памяти являлся весьма дефицитным ресурсом, то при адресации секторов на винчестере учитывались особенности процессора 8086. Так же для выбора сектора использовалась привязка к конструкции винчестера (C/H/S)  – номер цилиндра (С), номер головки (Н), номер сектора (S).

Два таких приема приводили к тому, что до вызова прерывания Int 13 в регистры С и D процессора заносилась следующая информация:

• СН – младшие 8 битов номера цилиндра;

• CL – два старших бита номера цилиндра и 6 битов номера сектора;

• DH – номер головки.

На практике количество головок у первых винчестеров не превосходило 16, а число секторов на дорожке – 63. Поэтому при таком способе адресации BIOS могла работать с винчестерами объемом до 1024 х 63 х 16 х 512 байт = 504 Мбайт (учитывая, что килобайты и мегабайты связаны отношением 1024, а не 1000, при котором получается 528 Мбайт).

Пока объемы винчестеров были невелики, ограничение на адресацию секторов не мешало пользователям. Но технология производства винчестеров совершенствовалась, стали появляться устройства, которые могли хранить значительно больше данных, и пользователям приходилось смиряться с тем, что часть дефицитного дискового пространства оказывалась недоступной, т. к. стандартная BIOS не понимала особенностей новых винчестеров. Для исправления ситуации были разработаны несколько методов, которые применяются до сих пор.

При использовании метода Extended, или Large disk support (Large) в три неиспользуемых бита номера головки стали помещать биты, относящиеся к номеру цилиндра, т. е. организовывалась "фальшивая" геометрия диска. Но т. к. все равно оставались ограничения, этот метод использовался до объема дискового пространства примерно в 1 Гбайт. В раде случаев для преодоления этого барьера применялись различные способы, в том числе и разделение дискового пространства между двумя виртуальными винчестерами Master и Slave.

В дальнейшем появились винчестеры, в которых увеличение дискового пространства происходило за счет создания различного числа секторов на дорожках. В них, на краю пластин, где дорожки наиболее длинные, число секторов было больше, чем на дорожках, близких к центру пластин. Традиционная геометрия C/H/S не могла организовать правильную работу с такими винчестерами, а старые версии BIOS перестали понимать, какую структуру имеет подключенный винчестер, и отказывались с ними работать. Для работы с новыми дисками был предложен линейный способ адресации блоков LBA (Linear Block Addressing), когда все секторы нумеруются последовательно от первого сектора нулевой дорожки нулевого цилиндра.

Примечание

Для выбора способа адресации дискового пространства в настройках BIOS выбирают какой-либо вариант: Normal, Large и LBA (см. гл. 5).

Но поскольку при методе адресации LBA используется адресация через прерывание Int 13 BIOS[25]25
  После старта операционной системы для работы с винчестером не используются подпрограммы BIOS.


[Закрыть] с применением нотации C/H/S, то у старых BIOS и ранних версий Windows остается ограничение на размер адресуемого дискового пространства в пределах 8 Гбайт[26]26
  Старые версии BIOS работают только с данными, расположенными на первых 1024 цилиндрах. Это ограничение заставляет располагать начало логического диска, с которого стартует операционная система, на цилиндрах с 1 по 1023 (Цилиндр 0 используется для главной загрузочной записи).


[Закрыть] (это практически все системные платы, изготовленные до появления Pentium II). То есть при подключении винчестера объемом в 10 Гбайт доступными оказываются около 8 Гбайт, остальные же гигабайты доступны лишь при использовании системных плат, при разработке которых учитывалось появление винчестеров объемов в десятки гигабайт.

Появление винчестеров с дисковым пространством более 30 Гбайт обнаружила еще одну проблему – аппаратных ресурсов контроллера АТА у "старых" системных плат не хватает для адресации дискового пространства за пределами 32 Гбайт (это системные платы на чипсетах 440ВХ и т. д.). В настоящее время производители винчестеров дошли еще до одного порога в 137 Гбайт.

Примечание

В большинстве случаев операционная система Windows работает с файловой системой FAT, в которой для адресации данных на винчестере используется принцип группирования секторов в группы – кластеры. Существует несколько ее разновидностей: FAT12, FAT16 и FAT32. Цифры говорят о количестве битов, отведенных для адресации кластера в таблице размещения файлов (FAT). Для винчестеров (логических дисков) с дисковым пространством более 2 Гбайт необходимо применять FAT32.

В файловой системе FAT16 для адресации кластеров на винчестере используется таблица, в которой не может быть больше 65 536 записей. Соответственно, размер кластера при размере логического диска до 128 Мбайт составляет 2 Кбайт, до 256 – 4, до 512 – 8, до 1000 – 16, до 2000 – 32. То есть при размере логического диска более 1 Гбайт даже при записи короткого файла в 1 байт на винчестере будет занято 32 Кбайт.

Винчестер в течение гарантийного срока работы фактически не требует никакого обслуживания. Основные операции, которые требуются от пользователя, это разделить дисковое пространство на логические диски с помощью программы FDISK (логическая структура диска и подробности работы с программой FDISK приведены в гл. 5), а также отформатировать каждый созданный диск программой FORMAT, например:

FORMAT С:

Иногда в операционной системе Windows надо «принудительно» включить режим работы DMA для винчестера, чтобы уменьшить загрузку процессора за счет прямого обращения к памяти. Для этого надо установить флажок DMA на вкладке Настройка, попасть на которую можно следующим путем: Панель управления | Система | Устройства | Дисковые накопители | Жесткий диск | Свойства | Настройка (рис. 9.22).

Рис. 9.22. Установка режима DMA