De obicei, periferice pentru computere sunt împărțite în dispozitive de intrare, dispozitive de ieșire, și dispozitivele de stocare externe (performante ca date de intrare în aparat, iar datele de ieșire de la calculator). Caracteristica principală a rezumarea dispozitivele I / O pot servi ca viteza de transmitere a datelor (rata maximă la care datele pot fi transferate între unitatea I / O și memoria principală sau un procesor). Tabel. 8.1. Principalele dispozitive de intrare / ieșire utilizate în computerele de astăzi, precum și o estimare a ratei datelor furnizate de aceste dispozitive.
Exemple de dispozitive I / O
direcţia de date
Rata de transfer a datelor (kilobiți / sec)
Ne uităm la cea mai rapidă a acestor dispozitive: discuri magnetice si magneto-optice.
În primul rând, ia în considerare terminologia de bază folosită în descrierea discurilor și controlerele magnetice, și apoi prezintă caracteristicile tipice ale mai multor subsisteme moderne de disc.
O unitate de disc de obicei constă dintr-un set de plăci, care sunt discuri metalice cu material magnetic și interconectate printr-un ax central. Pentru înregistrarea datelor, sunt utilizate ambele suprafețe ale plăcii. În unități moderne de disc se utilizează de la 4 la 9 plăci. Axul se rotește cu o viteză constantă, ridicată (de obicei, 3600, 5400 sau 7200 rpm). Fiecare placă cuprinde un set de piese de înregistrare concentrice. De obicei pistele împărțite în blocuri de date de 512 bytes, numite uneori sectoare. Numărul de blocuri înregistrate pe o pistă depinde de dimensiunile fizice ale plăcii și densitatea de înregistrare.
Datele sunt scrise sau citite din plăcile prin scriere / citire capete, câte una pe fiecare suprafață. Motorul linear este un dispozitiv electromecanic care poziționează capul peste pista țintă. capul este de obicei montat pe console, care sunt conduse vagoane. Cilindrul - un set de piese corespunzătoare unei poziții de transport. stocare pe disc magnetic (LDR) este un set de napolitane, capete magnetice, vagoane, motoare liniare plus carcasă etanșă. Un dispozitiv de disc numit NMD, cu un asociat circuitelor electronice.
disc de performanță este o funcție a timpului de serviciu, care include trei componente principale: timpul de acces, timp de latență și transfer de date. Timpul de acces - timpul necesar pentru a poziționa capul la pista corespunzătoare care conține datele dorite. Este o funcție a costului etapelor inițiale de accelerare a capului de antrenare (aproximativ 6 ms), precum și o funcție a numărului de piese pentru a fi traversate pe drumul spre pista dorită. medie tipică caută de timp - timpul necesar pentru a deplasa capul între cele două piese selectate aleatoriu sunt în intervalul de 10-20 ms. Trecerea de la pistă la pistă este mai mică de 10 ms, și în mod tipic de 2 ms.
A doua componentă a timpului de serviciu este timpul de așteptare. Pentru sectorul dorit avansat să se alinieze cu poziția capului este nevoie de ceva timp. Ulterior, datele pot fi scrise sau citite. Pentru unități moderne, în timp ce cifra de afaceri totală este în intervalul de 8-16 ms, iar timpul mediu de așteptare de 4-8 ms.
Componenta finală este timpul de transmisie, și anume timpul necesar pentru transmiterea fizică de octeți. timpul de transfer de date este o funcție de numărul de octeți transmise (dimensiunea blocului), viteza de rotație, densitatea de înregistrare în linie și viteza de electronice. O rată tipică este de 4,1 MB / s.
Compoziția calculatoarelor includ adesea dispozitive speciale numite controlere de disc. Fiecare controler de disc poate fi conectat la mai multe unități de disc. Între controlerul de disc și memoria principală poate fi o ierarhie a operatorilor și autostrăzi de date a căror complexitate este determinată în principal de costul computerului. Deoarece timpul de transmisie este adesea o foarte mică parte din timpul total de acces pe disc, controler de înaltă performanță în sistemul deconecteaza datele de linie de pe disc la timpul de poziționare, astfel încât alte drive-uri conectate la controler poate transmite datele lor în memoria principală. Prin urmare, timpul de acces pe disc poate crește deasupra capului de timp asociat cu costurile controlerului de organizare a operațiilor I / O.
Să luăm acum în considerare principalele componente ale timpului de acces la disc într-un subsistem tipic SCSI. Acest subsistem include patru componente majore: computerul principal, adaptorul gazdă SCSI, dispozitiv de disc construit în controler sine și un disc magnetic. Atunci când sistemul de operare primește o solicitare de la un utilizator pentru a efectua operatiile I / O, face solicitarea la setul de comenzi SCSI. Procesul se solicită, astfel blocată și amânată până la finalizarea operațiilor I / O (dacă nu a fost solicita modul de transfer asincron). Echipa apoi a trimis peste sistemul de autobuz la adaptorul principal SCSI care este conectat la unitatea de disc necesar. După aceea responsabilitatea pentru punerea în aplicare a interacțiunii cu controlerul și dispozitivele țintă revine cu adaptorul gazdă.
Apoi, adaptorul principal selectează un dispozitiv țintă, prin setarea unui semnal de pe linia de comandă magistrală SCSI (această operație se numește faza de selecție). În mod firesc, SCSI autobuz trebuie să fie disponibile pentru această operațiune. Dacă dispozitivul țintă returnează un răspuns, adaptorul gazdă trimite comanda sa (aceasta se numește faza de comandă). În cazul în care controlerul țintă poate executa imediat, acesta trimite datele sau starea adaptorului gazdă solicitate. Echipa poate fi servit imediat, dar dacă este o cerere de stare sau solicitări de comandă de date care sunt deja în memoria cache controler țintă. De obicei, datele nu sunt disponibile, iar controlerul țintă efectuează deconectarea magistrala SCSI eliberator pentru alte operațiuni. Dacă se efectuează o operație de scriere, faza fazei de date de autobuz de comandă urmează imediat, iar datele sunt introduse în controlerul cache țintă. confirmare de intrare este, de obicei, nu apare decât atâta timp cât datele nu se înregistrează pe suprafața discului.
După terminarea I / O controller-țintă operațiune în cazul libertății conectat la adaptorul de autobuz principal, după care datele sunt de fază (atunci când transferul de date de la controlerul țintă HBA) și condiția de fază pentru specificarea rezultatul operației. Când adaptorul gazdă primește starea de fază, se verifică corectitudinea realizării operațiunilor fizice în controlerul țintă și informează sistemul de operare.
Una dintre caracteristicile procesului SCSI I / O este numărul mare de pași care nu sunt în mod normal, vizibile pentru utilizator. De obicei, SCSI schimbare de autobuz are loc șapte faze (comanda de selecție, de deconectare, reconectare, eliberarea de stat de date). Desigur, fiecare fază este realizată pentru un timp petrecut pe utilizarea pneului. Multe controlere țintă (în special un dispozitiv lent cum ar fi benzi magnetice și CD-uri) consumă mult timp pentru a pune în aplicare separarea de faza de selecție și de reconectare.
Aplicații ale subsistemelor de înaltă performanță I / O variază foarte mult în funcție de cerințele care sunt prezentate. Acestea variază de la un număr mic de prelucrare cantități mari de date care trebuie să fie puse în aplicare cu minim de întârziere (supercomputer I / O) la un număr mare de sarcini simple, care operează cu cantități mici de date (de procesare a tranzacțiilor).
Cererile de intrare / ieșire a unui anumit volum de muncă poate fi caracterizat în termeni de trei valori: performanță, latență și lățime de bandă. Performanța depinde de numărul de cereri de servicii primite pe unitatea de timp. Timp de așteptare este timpul necesar pentru deservirea cererii individuale. Lățimea de bandă determină cantitatea de date transferate între dispozitive care necesită întreținere, și dispozitive performante de întreținere.
I / O supercomputer este determinată aproape în întregime prin mecanismul secvențial. De obicei, datele sunt transferate de la disc la memorie în blocuri mari, iar rezultatele sunt scrise înapoi pe disc. În astfel de aplicații care necesită lățime mare de bandă și latență scăzută, dar acestea sunt caracterizate de o productivitate scăzută. În schimb, procesarea tranzacțiilor se caracterizează printr-un număr foarte mare de hit-uri aleatoare, porțiuni relativ mici ale muncii și necesită o latență moderată la performanțe foarte ridicate.
Deoarece sistemul de procesare a tranzacțiilor petrec cea mai mare parte a timpului de serviciu în căutare și așteptările, progresele tehnologice, ceea ce conduce la o reducere a timpului de transmisie, nu va avea un impact prea mare asupra performanței acestor sisteme. Pe de altă parte, în aplicații de cercetare pentru a găsi date despre transferul petrecut în același timp, și astfel încât performanța unor astfel de sisteme este foarte sensibilă la orice îmbunătățiri în fabricarea de unități de tehnologie. Așa cum se va arăta mai jos, este posibil să se organizeze o unitate de matrice într-un mod care va oferi performanță ridicată I / O pentru o gamă largă de sarcini de lucru.
În ultimii ani, densitatea de înregistrare a unităților de hard disk este în creștere cu 60% pe an, atunci când scad trimestrial costul de stocare a unui megabyte cu 12%. Potrivit Dataquest ferm această tendință va continua în următorii doi ani. Acum pe piață o gamă largă de capacitate de stocare pe disc de până la 9,1 GB. Cu un timp mediu de acces dintre cele mai rapide modele este de 8 ms. De exemplu, un hard disk Seagate Technology are o capacitate de 4,1 GB, iar durata medie de acces de 8 ms, la o viteză de rotație de 7200 rot / min. Îmbunătățirea caracteristicilor controlerele de disc pe baza unor noi standarde Fast SCSI-2 și Enhanced IDE. Este de așteptat să crească rata de transfer de date de 13 MB / s. Fiabilitatea hard disk-uri în mod constant îmbunătățirea. De exemplu, unele companii conduce modele Conner periferice Inc. Micropolis Corp. și Hewlett-Packard au un MTBF de 500 de mii la 1 milion de ore
O altă direcție de dezvoltare a sistemelor de stocare sunt unitățile magneto-optice. Înregistrarea pe discurile magneto-optice (discuri MO) se realizează la o interacțiune cu laser și capul magnetic. Raza laser se încălzește la punctul Curie (proprietățile magnetice ale temperaturii pierderii materialului) din regiunea microscopică a stratului de înregistrare care, atunci când ieșirea zonei de acțiune cu laser se răcește, fixarea câmpului magnetic indus de capul magnetic. Ca rezultat, datele înregistrate pe disc, fără teama de câmpuri magnetice puternice și fluctuațiile de temperatură. Toate proprietățile funcționale ale discurilor sunt depozitate la temperaturi care variază între -20 +50 grade Celsius.
discurile MO sunt inferioare hard disk convențional numai pentru timpul de acces la date. Limita a fost atinsă MO timpul de acces la disc este de 19 ms. Principiul de înregistrare magneto optic necesită date anterioare Ștergerea înainte de înregistrare, și, în consecință, suplimentar disc cifra MO. Cu toate acestea, de cercetare recent finalizat SONY și IBM au arătat că această limitare poate fi eliminată, iar densitatea de înregistrare pe discuri MO poate fi crescut de mai multe ori. În toate celelalte privințe, discurile MO sunt superioare pe hard disk.
În unitatea de disc magneto-optic utilizează discuri amovibile, care oferă o capacitate practic nelimitată. Costul unităților de stocare a datelor în disc MO de câteva ori mai mică decât costul de stocare aceeași cantitate de date de pe hard disk.
Astăzi, pe piața unitate MO oferă mai mult de 150 de modele de diferite firme. Unul dintre liderii în această piață are compania Pinnacle Micro Inc. De exemplu, unitatea sa de Sierra 1.3 gb asigură un timp mediu de acces de 19 ms și timpul mediu între eșecul de 80.000 de ore. Pentru stații de lucru și servere de rețele locale de companie Pinnacle Micro oferă o gamă largă de sisteme multi-drive de 20, 40, 120, 186 și GB chiar 4TB. Pentru sistemele de înaltă disponibilitate Pinnacle Micro lansează matrice de disc optic Array disc sistem, care oferă un timp efectiv de acces de date nu este mai mare de 11 ms la o rată de date de până la 10 MB / s.