Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение icon

Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение


Скачать 412.31 Kb.
НазваниеАрхитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение
страница9/10
Размер412.31 Kb.
ТипРеферат
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

^ 7.3. Шины ввода/вывода

7.3.1. Шина AGP

Шина персонального компьютера (PC) постоянно терпит множество изменений в связи с повышаемыми к ней требованиями.

Так ускоренный графический порт (AGP) это расширение шины PCI, чье назначение обработка больших массивов данных 3D графики. Intel разрабатывала AGP, для решения двух проблем перед внедрением 3D графики на PCI. Во-первых, 3D графика требуется как можно больше памяти информации текстурных карт (texture maps) и z-буфера (z- buffer). Чем больше текстурных карт доступно для 3D приложений, тем лучше выглядит конечный результат. При нормальных обстоятельствах z- буфер, который содержит информацию относящуюся к представлению глубины изображения, использует ту же память как и текстуры. Этот конфликт предоставляет разработчикам 3D множество вариантов для выбора оптимального решения, которое они привязывают к большой значимости памяти для текстур и z-буфера, и результаты напрямую влияют на качество выводимого изображения.


^ Схемы PCI и AGP





a) PCI структура б)AGP структура

Рис. 7.1.


Разработчики PC имели ранее возможность использовать системную память для хранения информации о текстурах и z-буфера, но ограничение в таком подходе, была передача такой информации через шину PCI. Производительность графической подсистемы и системной памяти ограничиваются физическими характеристиками шины PCI (рис.7.1, а). Кроме того, ширина полосы пропускания PCI, или ее емкость, не достаточна для обработки графики в режиме реального времени. Чтобы решить эти проблемы Intel разработала AGP.

Если определить кратко, что такое AGP, то это - прямое соединение между графической подсистемой и системной памятью (рис.7.1, б). Это решение позволяет обеспечить значительно лучшие показатели передачи данных, чем при передаче через шину PCI, и явно разрабатывалось, чтобы удовлетворить требованиям вывода 3D графики в режиме реального времени. AGP позволит более эффективно использовать память страничного буфера (frame buffer), тем самым увеличивая производительность 2D графики также, как увеличивая скорость прохождения потока данных 3D графики через систему.

Определение AGP, как вид прямого соединения между графической подсистемой и системной памятью, называется соединение point-to-point. В действительности, AGP соединяет графическую подсистему с блоком управления системной памятью, разделяя этот доступ к памяти с центральным процессором компьютера (CPU).


^ 7.3.2. Шина USB

Шина USB предназначена для обеспечения обмена данными между компьютером (центральным процессором устройства) и подсоединенными к нему периферийными устройствами (ПУ) в условиях динамического (горячего) изменения конфигурации системы.

При проектировании новой шины особое внимание обращалось на следующие показатели:

• простоту изменения конфигурации системы;

• стоимость законченного решения при пропускной способности до 12 Мбит/с;

• возможность передачи потоков аудио- и сжатых видеоданных в реальном времени;

• обеспечение одновременной передачи разных типов данных;

• адаптацию к существующей инфраструктуре ПК и возможность быстрого включения интерфейса шины в представленное на рынке прикладное ПО;

• стимулирование разработки новых классов устройств, расширяющих возможности ПК.

Возможности USB следуют из ее технических характеристик:

• высокая скорость обмена (full-speed signaling bit rate) -12 Mb/s;

• максимальная длина кабеля для высокой скорости обмена - 5 m;

• низкая скорость обмена (low-speed signaling bit rate) - 1.5 Mb/s;

• максимальная длина кабеля для низкой скорости обмена -Зт;

• максимальное количество подключенных устройств (включая размножители) - 127;

• возможно подключение устройств с различными скоростями обмена;

• отсутствие необходимости в установке пользователем дополнительных элементов, таких как терминаторы для SCSI;

• напряжение питания для периферийных устройств - 5 V;

• максимальный ток потребления на одно устройство - 500 mA (это не означает, что через USB можно запитать устройства с общим током потребления 127 х 500 mA=63.5 А).

Поэтому целесообразно подключать к USB практически любые периферийные устройства, кроме цифровых видеокамер и жестких высокоскоростных дисков. Особенно удобен этот интерфейс для подключения часто подключаемых отключаемых приборов, таких как цифровые фотокамеры. Конструкция разъемов для USB рассчитана на многократное сочленение - расчленение. Возможность использования только двух скоростей обмена данными ограничивает применяемость шины, но существенно уменьшает количество линий интерфейса и упрощает аппаратную реализацию. Питание непосредственно от USB возможно только для устройств с малым потреблением, таких как клавиатуры, мыши, джостики и т. д.

Сама шина - это многоуровневая иерархическая система. На физическом уровне топология шины представляет собой корневидную структуру (рис. 7.2) - многоуровневую звезду (в терминологии стандарта), при которой соединения могут формировать цепочки и звезды. Закольцовка соединений в системе не допускается (этому, в частности, препятствует разная конструкция разъемов входного и выходного портов шины USB).

В самой верхней части "корня" шины USB находится корневой концентратор, обеспечивающий связь периферии с компьютером (хостом). В текущей реализации стандарта допускается наличие только одного корневого концентратора, хотя и делается очень важная оговорка о возможности модернизации в будущем с целью поддержки нескольких корневых узлов в одной системе, что позволит, по мнению автора, создавать своего рода микросети в пределах, например, одного помещения. Уже практически готовы основные, системообразующие, решения и компоненты: концентраторы, мультиплексированная шина, программные и аппаратные средства ее поддержки.

Центром каждой звезды является узел (концентратор) шины USB, который обеспечивает набор двухточечных соединений с другими узлами и/или функциями, лежащими вниз по потоку (т. е. на большем удалении от компьютера). Узел состоит из двух функциональных элементов - повторителя, служащего для управления коммутацией потоков информации между входным и выходными портами узла, и контроллера, предназначенного для управления статусом (состоянием) узла и его портов (рис. 7.2).


Топология шины USB





Рис. 7.2.


Функции шины USB - это возможности, которые формируют полезные свойства сети USB, например выход в линию ISDN, получение данных от джойстика или вывод сигнала на звуковые колонки. Понятие функции не эквивалентно определению устройства, поскольку последнее может реализовать сразу несколько функций. В этом случае оно называется составным и рассматривается системой как узел с несколькими постоянно подключенными однофункциональными устройствами. Подобное устройство должно содержать встроенный концентратор шины USB.

Все устройства и узлы шины USB могут иметь собственные источники питания или запитываться от вышестоящего узла USB. (Запитываемый от шины узел обеспечивает работу до четырех ПУ, а с собственным питанием - до семи и более.) Все эти устройства в соответствии со стандартом шины подразделяются на классы, которые образуют свою иерархию. Классами-родоначальниками являются узлы и функции. Введение классов устройств должно, по мнению создателей шины, способствовать стандартизации аналогичных по назначению периферийных устройств разных производителей. По мере необходимости разработчики смогут, кроме стандартных классов, определять новые классы ПУ.

Интерфейс между USB и компьютером называется хост-контроллером (host controller, НС), который реализуется комбинацией аппаратных средств и драйвера хост-контроллера (host controller driver, HCD). Хост-контроллер отвечает за выполнение следующих операций:

• обнаружение подключения/отключения устройств;

• потоки управляющей информации между хостом и ПУ;

• управление потоками данных по шине, в частности выполнение протокола шины;

• сбор информации о статусе и активности ПУ-системы, а также формирование отчетов о состоянии системы USB;

• выделение ПУ определенных лимитов энергоресурсов системы (особенно актуально

для мобильных систем).

Хост-контроллер USB активно взаимодействует с различными службами операционной системы. Например, при наличии в ОС службы управления энергоресурсами АРМ (advanced power management) ПО USB перехватывает и выполняет запросы этой службы на приостановку функционирования и восстановление рабочего состояния конкретных устройств.

Прикладной интерфейс USB содержит драйверы стандартных классов устройств для данной ОС. Здесь используются обращения к специфическим службам ОС, в частности РпР для Windows 95. Разработчики нестандартного оборудования должны включать свои драйверы в этот уровень ПО шины USB.

Еще один важный компонент верхнего уровня ПО шины - система конфигурирования шины и идентификации ПУ, поставляемая разработчиком ОС или независимыми производителями ПО. Эта система управляет всеми узлами сети, в том числе корневым концентратором, и является частью службы управления энергопотреблением компьютерной системы.

Ключевым элементом ПО USB является драйвер USBD, поставляемый, как сказано в стандарте шины, разработчиком ОС. На него ложится вся диспетчеризация активности на шине. Драйвер транслирует запросы ввода/вывода клиентского ПО в вызовы HCD. Например, USBD на основании данных запроса на подключение нового ПУ (число конечных точек в устройстве, допустимые типы и объемы передач данных и т. д.) дает отказ или удовлетворяет запрос, исходя из свободных ресурсов шины.

USBD опирается на драйвер хост-контроллера, скрывающий особенности аппаратных решений USB от вышележащего ПО. Драйвер хост-контроллера отслеживает выполнение текущих запросов на доступ к шине и обеспечивает бездефицитное выделение имеющихся ресурсов шины. Драйвер хост-контроллера также поставляется разработчиком ОС и содержит в настоящее время два аппаратных интерфейса: UHCI (universal host controller interface) и OHCI (open host controller interface).

Как и в любой сложной многоуровневой системе, использующей общий коммуникационный канал, передача потоков информации между хостом и ПУ по шине USB требует взаимодействия многих программных и аппаратных компонентов, каждый из которых имеет свою сферу ответственности. Это придает особое значение протоколу обмена между элементами системы.

В шине USB используется мультиплексирование передаваемых данных с временным уплотнением (time division multiplexing, TDM). Основу логической модели передачи данных составляют пакеты. Размер пакета переменный, он зависит от многих факторов. Хост-контроллер объединяет пакеты в кадры, длительность которых 0,001 с. Порядок следования пакетов в кадре определяется драйвером хост-контроллера, однако для каждого получателя информации (логического канала передачи данных) гарантируется сохранение последовательности поступления данных.

Системное ПО шины и специальные протоколы обмена скрывают от клиентского ПО (прикладных программ) сложность централизованного управления маркерным доступом к совместно используемым ресурсам шины USB, сводя его к системе двухточечных связей. Этим USB отличается от таких шин, как PCI, EISA, PCMCIA, где клиентское ПО напрямую работает с адресатом.


^ 7.3.3. Шины IDE и SCSI

Одними из наиболее популярных шин ввода-вывода в настоящее время являются шины IDE и SCSI.

Под термином IDE (Integrated Drive Electronics - электpоника, встpоенная в пpивод)), или ATA (AT Attachment - подключаемый к AT) понимается пpостой и недоpогой интеpфейс для PC AT. Все функции по упpавлению накопителем обеспечивает встpоенный контpоллеp, а 40-пpоводной соединительный кабель является фактически упpощенным сегментом 16-pазpядной магистpали AT-Bus (ISA). Пpостейший адаптеp IDE содеpжит только адpесный дешифpатоp - все остальные сигналы заводятся пpямо на pазъем ISA. Адаптеpы IDE обычно не содеpжат собственного BIOS - все функции поддеpжки IDE встpоены в системный BIOS PC AT. Однако интеллектуальные или кэшиpующие контpоллеpы могут иметь собственный BIOS, подменяющий часть или все функции системного.

Основной pежим pаботы устpойств IDE - пpогpаммный обмен (PIO) под упpавлением центpального пpоцессоpа, однако все совpеменные винчестеpы EIDE поддеpживают обмен в pежиме DMA, а большинство контpоллеpов - pежим Bus Mastering.

Под термином SCSI - Small Computer System Interface (Интерфейс малых вычислительных систем) обычно понимается набор стандартов, разработанных Национальным институтом стандартов США (ANSI) и определяющих механизм реализации магистрали передачи данных между системной шиной компьютера и периферийными устройствами. На сегодняшний день приняты два стандарта (SCSI-1 и SCSI-2). Стандарт SCSI-3 находится в процессе доработки.

Начальный стандарт 1986 года, известный теперь под названием SCSI-1, определял рабочие спецификации протокола шины, набор команд и электрические параметры. В 1992 году этот стандарт был пересмотрен с целью устранения недостатков первоначальной спецификации (особенно в части синхронного режима передачи данных) и добавления новых возможностей повышения производительности, таких как "быстрый режим" (fast mode), "широкий режим" (wide mode) и помеченные очереди. Этот пересмотренный стандарт получил название SCSI-2 и в настоящее время используется большинством поставщиков вычислительных систем.

Первоначально SCSI предназначался для использования в небольших дешевых системах и поэтому был ориентирован на достижение хороших результатов при низкой стоимости. Характерной его чертой является простота, особенно в части обеспечения гибкости конфигурирования периферийных устройств без изменения организации основного процессора. Главной особенностью подсистемы SCSI является размещение в периферийном оборудовании интеллектуального контроллера.

Для достижения требуемого высокого уровня независимости от типов периферийных устройств в операционной системе основной машины, устройства SCSI представляются имеющими очень простую архитектуру. Например, геометрия дискового накопителя представляется в виде линейной последовательности одинаковых блоков, хотя в действительности любой диск имеет более сложную многомерную геометрию, содержащую поверхности, цилиндры, дорожки, характеристики плотности, таблицу дефектных блоков и множество других деталей. В этом случае само устройство или его контроллер несут ответственность за преобразование упрощенной SCSI модели в данные для реального устройства.

Стандарт SCSI-2 определяет в частности различные режимы: Wide SCSI, Fast SCSI и Fast-and-Wide SCSI. Стандарт SCSI-1 определяет построение периферийной шины на основе 50-жильного экранированного кабеля, описывает методы адресации и электрические характеристики сигналов. Шина данных SCSI-1 имеет разрядность 8 бит, а максимальная скорость передачи составляет 5 Мбайт/сек. Fast SCSI сохраняет 8-битовую шину данных и тем самым может использовать те же самые физические кабели, что и SCSI-1. Он отличается только тем, что допускает передачи со скоростью 10 Мбайт/сек в синхронном режиме. Wide SCSI удваивает либо учетверяет разрядность шины данных (либо 16, либо 32 бит), допуская соответственно передачи со скоростью либо 10, либо 20 Мбайт/сек. В комбинации Fast-and-Wide SCSI возможно достижение скоростей передачи 20 и 40 Мбайт/сек соответственно.

Однако поскольку в обычном 50-жильном кабеле просто не хватает жил, комитет SCSI решил расширить спецификацию вторым 66-жильным кабелем (так называемый B-кабель). B-кабель имеет дополнительные линии данных и ряд других сигнальных линий, позволяющие реализовать режим Fast-and-Wide.

В реализации режима Wide SCSI предложена также расширенная адресация, допускающая подсоединение к шине до 16 устройств (вместо стандартных восьми). Это значительно увеличивает гибкость подсистемы SCSI, правда приводит к появлению дополнительных проблем, связанных с эффективностью ее использования.

Реализация режимов Wide-SCSI и Fast-and-Wide SCSI до 1994 года редко использовалась, поскольку эффективность их применения не была достаточно высокой. Однако широкое распространение дисковых массивов и дисковых накопителей со скоростью вращения 7200 оборотов в минуту делают эту технологию весьма актуальной.


^ 8. Периферийные устройства

Как правило, периферийные устройства компьютеров делятся на устройства ввода, устройства вывода и внешние запоминающие устройства (осуществляющие как ввод данных в машину, так и вывод данных из компьютера). Основной обобщающей характеристикой устройств ввода/вывода может служить скорость передачи данных (максимальная скорость, с которой данные могут передаваться между устройством ввода/вывода и основной памятью или процессором). В табл. 8.1. представлены основные устройства ввода/вывода, применяемые в современных компьютерах, а также указаны примерные скорости обмена данными, обеспечиваемые этими устройствами.

Таблица 8.1.

Примеры устройств ввода/вывода


^ Тип устройства

Направление передачи
данных


Скорость передачи данных (Кбайт/с)

Клавиатура

Ввод

0.01

Мышь

Ввод

0.02

Голосовой ввод

Ввод

0.02

Сканер

Ввод

200.0

Голосовой вывод

Вывод

0.06

Строчный принтер

Вывод

1.00

Лазерный принтер

Вывод

100.00

Графический дисплей

Вывод

30000.00

(ЦП (r) буфер кадра)

Вывод

200.0

Оптический диск

ЗУ

500.00

Магнитная лента

ЗУ

2000.00

Магнитный диск

ЗУ

2000.00

Мы рассмотрим наиболее быстрые из этих устройств: магнитные и магнитооптические диски.


^ 8.1. Магнитные и магнитооптические диски

Сначала рассмотрим основную терминологию, применяемую при описании магнитных дисков и контроллеров, а затем приведем типовые характеристики нескольких современных дисковых подсистем.

Дисковый накопитель обычно состоит из набора пластин, представляющих собой металлические диски, покрытые магнитным материалом и соединенные между собой при помощи центрального шпинделя. Для записи данных используются обе поверхности пластины. В современных дисковых накопителях используется от 4 до 9 пластин. Шпиндель вращается с высокой постоянной скоростью (обычно 3600, 5400 или 7200 оборотов в минуту). Каждая пластина содержит набор концентрических записываемых дорожек. Обычно дорожки делятся на блоки данных объемом 512 байт, иногда называемые секторами. Количество блоков, записываемых на одну дорожку зависит от физических размеров пластины и плотности записи.

Данные записываются или считываются с пластин с помощью головок записи/считывания, по одной на каждую поверхность. Линейный двигатель представляет собой электро-механическое устройство, которое позиционирует головку над заданной дорожкой. Обычно головки крепятся на кронштейнах, которые приводятся в движение каретками. Цилиндр - это набор дорожек, соответствующих одному положению каретки. 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.

Производительность диска является функцией времени обслуживания, которое включает в себя три основных компонента: время доступа, время ожидания и время передачи данных. Время доступа - это время, необходимое для позиционирования головок на соответствующую дорожку, содержащую искомые данные. Оно является функцией затрат на начальные действия по ускорению головки диска (порядка 6 мс), а также функцией числа дорожек, которые необходимо пересечь на пути к искомой дорожке. Характерные средние времена поиска - время, необходимое для перемещения головки между двумя случайно выбранными дорожками, лежат в диапазоне 10-20 мс. Время перехода с дорожки на дорожку меньше 10 мс и обычно составляет 2 мс.

Вторым компонентом времени обслуживания является время ожидания. Чтобы искомый сектор повернулся до совмещения с положением головки требуется некоторое время. После этого данные могут быть записаны или считаны. Для современных дисков время полного оборота лежит в диапазоне 8-16 мс, а среднее время ожидания составляет 4-8 мс.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10

Похожие:

Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconАрхитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение
Так, разработаны новые микропроцессорные вычислительные средства, являющиеся основой микроэвм и персональных ЭВМ. В связи с этим...
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconУчебное пособие Москва-Рязань
Права человека: учебное пособие /Ю. С. Бадальянц, Д. А. Ягофаров. – Москва-Рязань: Издательство «Поверенный», 2006. – 519 с
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconУчебное пособие для вузов М.: Аспект Пресс, 2004. Оглавление введение
Охватывает период так называемой пражурналистики – с I в до н э. Под ней понимают возникновение первичных способов, средств, методов,...
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconУчебное пособие для студентов высших и средних специальных учебных заведений. М., 2001. Введение
Канке В. А. Философия: учебное пособие для студентов высших и средних специальных
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconИ. В. Паблик рилейшнз для менеджеров и маркетеров. М., 1997. Варакута С. А., Егоров Ю. Н. Связи с общественностью Уч пос-е. М.,2004. Чумиков А. Н., Бочаров М. П. Связи с общественностью: теория и практика. Учебное пособие
Чумиков А. Н., Бочаров М. П. Связи с общественностью: теория и практика. Учебное пособие. – М., 2006
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconУчебное пособие для участников торгов на мировых биржах Содержание введение 7
Охватывают вас во время игры, чтобы убедиться в логической обоснованности ваших решений. Вам нужна такая структура управления капиталом,...
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconЮ. Ф. Введение в актуарную математику > Кузнецова Н. Л., А. В. Сапожникова Актуарная математика. Учебное пособие

Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconУчебное пособие санкт-петербург
Учебное пособие предназначено для самостоятельной подготовки курсантов и проведения практических занятий на базе городской детской...
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconОбщая архитектура современных микропроцессорных систем
...
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconУчебное пособие для студентов химического факультета. Уфа: риц башГУ, 2012. 89с. Введение
Химическая технология. Часть Физико-химические закономерности в химической технологии: Учебное пособие для студентов химического...
Архитектура вычислительных систем. Учебное пособие. 2006 Содержание Введение iconУчебное пособие для самостоятельной работы Ставрополь 2010 ббк 63. 3 (2) Я73 удк 99 (С) р -82
Учебное пособие предназначено для студентов медицинских и фармацевтических вузов
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Документы


При копировании материала укажите ссылку ©ignorik.ru 2015

контакты
Документы