ПЗУ в персональном компьютере

В момент включения компьютера в его оперативной памяти отсутствуют любые данные, поскольку оперативная память не может сохранять данные при отключенном компьютере. Но процессору необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому процессор обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес указывает на память, которую принято называть постоянной памятью ROM или постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). ПЗУ в IBM PC-совместимых ЭВМ располагается в адресном пространстве с F600:0000 по FD00:0FFF. Микросхема ПЗУ способна сохранять информацию при отключенном компьютере. Говорят, что программы, которые находятся в ПЗУ, "зашиты" (или «прошиты») в ней - они записываются туда на этапе изготовления микросхемы. Комплект программ, находящийся в ПЗУ образовывает базовую систему ввода/вывода BIOS (Basic Input Output System).

Основное назначение этих программ состоит в том, чтобы проверить состав и трудоспособность системы, обеспечить начальную загрузку компьютера и запуск операционной системы. и предоставить операционной системе доступ к аппаратуре компьютера и подключенным к нему устройствам (клавиатуре, монитору, жестким и гибким дискам и т.д.).

Начиная с 1996 года во всех компьютерах BIOS записывается в микросхему Flash ROM. Информацию в этой микросхеме можно стирать и перепрограммировать непосредственно в компьютере без специального оборудования. Для стирания и перепрограммирования старых микросхем PROM требовались специальный источник ультрафиолетового освещения и устройство программирования, а во Flash ROM данные могут быть удалены и перезаписаны даже без удаления их из системы.

Использование Flash ROM дает возможность загрузить новую версию BIOS из Internet или, имея ее на дискете, загрузить в микросхему Flash ROM на системной плате без удаления и замены микросхемы. Обычно эти обновления загружаются с Web-сервера изготовителя; затем используется прилагаемая программа для создания самозагружаемой дискеты с новым образом BIOS. Важно выполнить эту процедуру, воспользовавшись дискетой с программой начальной загрузки, так как никакое другое программное обеспечение или драйверы не должны мешать модификации. Этот метод обновления позволяет сэкономить время и деньги как изготовителя системы, так и конечного пользователя.

Иногда микросхема Flash ROM в системе защищена от записи; тогда, прежде чем приступить к модификации, вы должны отключить защиту. Обычно это делается с помощью переключателя, который управляет блокировкой модификации ROM. Без блокировки любая программа может перезаписывать ROM в вашей системе, а это опасно. Без защиты записи программы-вирусы могли бы записывать свои копии непосредственно в код ROM BIOS на вашем компьютере. Даже без физической защиты от записи современные BIOS в микросхемах Flash ROM имеют алгоритм защиты, который предотвращает несанкционированные модификации. Эту методику Intel использует на своих системных платах.

Работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами BIOS, но такими средствами невозможно обеспечить работу со всеми возможными устройствами (в связи с их огромным разнообразием и наличием большого количества разных параметров). Но для своей работы программы BIOS требуют всю информацию о текущей конфигурации системы. По очевидной причине эту информацию нельзя сохранять ни в оперативной памяти, ни в постоянной. Специально для этих целей на материнской плате есть микросхема энергонезависимой памяти, которая называется CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не исчезает при отключении компьютера, а от постоянной памяти она отличается тем, что данные можно заносить туда и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы.

Микросхема памяти CMOS постоянно питается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. В этой памяти сохраняются данные про гибкие и жесткие диски, процессоры и т.д. Тот факт, что компьютер четко отслеживает дату и время, также связан с тем, что эта информация постоянно хранится (и обновляется) в памяти CMOS. Таким образом, программы BIOS считывают данные о составе компьютерной системы из микросхемы CMOS, после чего они могут осуществлять обращение к жесткому диску и другим устройствам.

3.2. Внешняя память

Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными из них, имеющимися практически на любом компьютере, являются показанные на структурной схеме (рис. 2.) накопители на жестких (НЖМД) магнитных дисках (часто их называют просто жесткими дисками, а в персонадьных компьютерах такие накопители обычно называются жаргонным термином «винчестер»).

Назначение этих накопителей: хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. Различаются НЖМД лишь конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

В качестве устройств внешней памяти часто используются также накопители на лазерных оптических дисках (CD-ROM — Compact Disk Read Only Memory) и реже — запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стримеры).

Жесткие диски

Жесткие диски (Hard Drive) являются основным видом компьютерных накопителей. Если отбросить крайности, любой компьютер бытового класса должен иметь хотя бы один жесткий диск. На жесткий диск устанавливают операционную систему и приложения. Там же хранят документы различного типа — от текстов до видеоклипов. Жесткий диск считается внутренним компонентом компьютера. Среди потребительских качеств жесткого диска выделим главные: емкость (объем), используемый интерфейс, скорость обмена данными, надежность, шумность и тепловыделение.

Накопители на жестких дисках обычно называют винчестерами. Этот термин появился в 1960-х годах, когда IBM выпустила высокоскоростной накопитель с одним несъемным и одним сменным дисками емкостью по 30 Мбайт. Этот накопитель состоял из пластин, которые вращались с высокой скоростью, и “парящих” над ними головок, а номер его разработки — 30-30. Такое цифровое обозначение (30-30) совпало с обозначением популярного нарезного оружия - винтовки Winchester Model 1894, использующей патрон .30-30 Winchester., поэтому термин винчестер вскоре стал применяться в отношении любого стационарно закрепленного жесткого диска. Это типичный профессиональный жаргон, на самом деле подобные устройства не имеют с обычными винчестерами (т.е. с оружием) ничего общего. В 90-х годах этот термин в США и Англии практически сошел на нет, в нашей же стране остался полуофициальным, сокращаемым на компьютерном сленге до термина «винт».

Жёсткий диск состоит из гермозоны и блока электроники.

Гермозона

Рис. 3.12. Конструкция накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера)

Гермозона включает в себя корпус из прочного сплава, собственно диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя.

Блок головок - пакет рычагов из пружинистой стали (по паре на каждый диск). Одним концом они закреплены на оси рядом с краем диска. На других концах (над дисками) закреплены головки.

Рис. 3.13. Блок магнитных головок

Диски (пластины), как правило, изготовлены из металлического сплава. Хотя были попытки делать их из пластика и даже стекла, но такие пластины оказались хрупкими и недолговечными. Обе плоскости пластин, подобно магнитофонной ленте, покрыты тончайшей пылью ферромагнетика - окислов железа, марганца и других металлов. Точный состав и технология нанесения держатся в секрете. Большинство бюджетных устройств содержит 1 или 2 пластины, но существуют модели с бо́льшим числом пластин.

Диски жёстко закреплены на шпинделе. Во время работы шпиндель вращается со скоростью несколько тысяч оборотов в минуту (3600, 4200, 5400, 5900, 7200, 10 000, 15 000). При такой скорости вблизи поверхности пластины создаётся мощный воздушный поток, который приподнимает головки и заставляет их парить над поверхностью пластины. Форма головок рассчитывается так, чтобы при работе обеспечить оптимальное расстояние от пластины. Пока диски не разогнались до скорости, необходимой для «взлёта» головок, парковочное устройство удерживает головки в зоне парковки. Это предотвращает повреждение головок и рабочей поверхности пластин. Шпиндельный двигатель жёсткого диска трехфазный, что обеспечивает стабильность вращения магнитных дисков, смонтированных на оси (шпинделе) двигателя. Статор двигателя содержит три обмотки, включенные звездой с отводом посередине, а ротор - постоянный секционный магнит. Для обеспечения малого биения на высоких оборотах в двигателе используются гидродинамические подшипники.

Рис. 3.14. Блок головок в сборе.

Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных неодимовых постоянных магнитов, а также катушки на подвижном блоке головок. Вопреки расхожему мнению, внутри гермозоны нет вакуума. Одни производители делают её герметичной (отсюда и название) и заполняют очищенным и осушенным воздухом или нейтральными газами, в частности, азотом; а для выравнивания давления устанавливают тонкую металлическую или пластиковую мембрану. (В таком случае внутри корпуса жёсткого диска предусматривается маленький карман для пакетика силикагеля, который абсорбирует водяные пары, оставшиеся внутри корпуса после его герметизации). Другие производители выравнивают давление через небольшое отверстие с фильтром, способным задерживать очень мелкие (несколько микрометров) частицы. Однако в этом случае выравнивается и влажность, а также могут проникнуть вредные газы. Выравнивание давления необходимо, чтобы предотвратить деформацию корпуса гермозоны при перепадах атмосферного давления и температуры, а также при прогреве устройства во время работы.

Пылинки, оказавшиеся при сборке в гермозоне и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр - пылеуловитель.

Блок электроники

Рис. 3.15. Блок электроники

В ранних жёстких дисках управляющая логика была вынесена на MFM или RLL контроллер компьютера, а плата электроники содержала только модули аналоговой обработки и управления шпиндельным двигателем, позиционером и коммутатором головок. Увеличение скоростей передачи данных вынудило разработчиков уменьшить до предела длину аналогового тракта, и в современных жёстких дисках блок электроники обычно содержит: управляющий блок, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), буферную память, интерфейсный блок и блок цифровой обработки сигнала.

Интерфейсный блок обеспечивает сопряжение электроники жёсткого диска с остальной системой.

Блок управления представляет собой систему управления, принимающую электрические сигналы позиционирования головок, и вырабатывающую управляющие воздействия приводом типа «звуковая катушка», коммутации информационных потоков с различных головок, управления работой всех остальных узлов (к примеру, управление скоростью вращения шпинделя), приёма и обработки сигналов с датчиков устройства (система датчиков может включать в себя одноосный акселерометр, используемый в качестве датчика удара, трёхосный акселерометр, используемый в качестве датчика свободного падения, датчик давления, датчик угловых ускорений, датчик температуры).

Блок ПЗУ хранит управляющие программы для блоков управления и цифровой обработки сигнала, а также служебную информацию винчестера.

Буферная память сглаживает разницу скоростей интерфейсной части и накопителя (используется быстродействующая статическая память). Увеличение размера буферной памяти в некоторых случаях позволяет увеличить скорость работы накопителя.

Блок цифровой обработки сигнала осуществляет очистку считанного аналогового сигнала и его декодирование (извлечение цифровой информации). Для цифровой обработки применяются различные методы, например, метод PRML (Partial Response Maximum Likelihood - максимальное правдоподобие при неполном отклике). Осуществляется сравнение принятого сигнала с образцами. При этом выбирается образец, наиболее похожий по форме и временным характеристикам с декодируемым сигналом.

Накопитель на жестких магнитных дисках содержит четыре основных элемента (блока): пакет дисковых пластин на вращающейся оси, головки чтения-записи, позиционер (актюатор), контроллер. Дисковая пластина состоит из основы и магнитного покрытия, на которое записываются данные. Основу изготавливают из алюминиевых сплавов, а в последнее время из керамики или стеклянных компонентов. Магнитное покрытие обычно выполняется из оксида железа. Современные технологии (например, с антиферромагнитной связью), требуют применения двух слоев магнитного покрытия с прослойкой из парамагнитного материала.

Данные хранятся на пластинах в виде концентрических дорожек, каждая из которых разделена на секторы по 512 байт, состоящие из горизонтально ориентированных доменов. Ориентация доменов в магнитном слое служит для распознавания двоичной информации (0 или 1). Размер доменов определяет плотность записи данных.

Освоить современные технологии производства жестких дисков могут только крупные фирмы, потому что организация изготовления сложнейших головок, пластин, контроллеров требует крупных финансовых и интеллектуальных затрат. В настоящее время жесткие диски производят семь ...компаний: Fujitsu, Hitachi, Maxtor, Samsung, Seagate, Toshiba и Western Digital.

Рис. 3.16. Схема хранения данных на жестком диске.

Практически все современные жесткие диски (в просторечии традиционно именуемые «винчестерами») выпускаются по технологии, использующей магниторезистивный эффект (магниторезистивные головки производятся с 1991 г.). Благодаря этому емкость дисков росла быстрыми темпами за счет повышения плотности записи информации. Появление в 1999 г. изобретенных фирмой IBM головок с гигантским магниторезистивным эффектом (GMR — Giant Magnetic Resistance) привело к повышению плотности записи до 6,4 Гбайт на одну пластину в уже представленных на рынке изделиях. Плотность записи и емкость диска тесно связаны между собой. Поверхностная плотность записи зависит от расстояния между дорожками (поперечная плотность) и минимального размера магнитного домена (продольная плотность). Обобщающим критерием выступает плотность записи на единицу площади диска или емкость пластины. Чем выше плотность записи, тем больше скорость обмена данными между головками и буфером (внутренняя скорость передачи данных). Постепенно резервы роста, обусловленные отмеченным выше технологическим скачком, пошли на убыль. К 2003 г. типовая емкость пластин жестких дисков достигла 80 Гбайт. В 2004 г. появились диски с пластинами емкостью 100 Мбайт, в 2005 г. — 133 Мбайт. Производители всеми силами пытаются выжать последние соки из существующих технологий магнитной записи, дружно переходя на адаптивное форматирование пластин в зависимости от характеристик каждой конкретной пары «головка-пластина». Индустрия также возвращается к проверенному годами способу наращивания объема накопителей — путем увеличения количества магнитных пластин и головок. В 2006 году в коммерческие дисководы пришел принцип перпендикулярного метода записи и объемы памяти дисководов сразу же «подросли». В 2007 году фирма Hitachi представила первый коммерческий накопитель объемом 1 Тб, в 2008 году Seagate Technology LLC выпустила накопитель объемом 1,5 Тб.

В последнее время активно развивается тенденция увеличения объемов и скорости накопителей системы хранения данных за счет внедрения RAID-массивов. Простейшие контроллеры RAID уровней 0 и 1 уверенно прописались даже в дешевых чипсетах системных плат. При нынешних ценах на винчестеры выгоднее купить два диска по 80 Гбайт и собрать на них RAID 0, увеличив при этом и быстродействие, и емкость, чем ставить один диск на 160 Гбайт. 2004 год стал стартовым для технологии Matrix Storage, примененной Intel в чипсетах 925Х/915. Эта технология позволяет всего на двух SATA-дисках организовывать два независимых RAID-массива для увеличения скорости и зеркальный для увеличения надежности. Кроме того, появились дешевые четырехдисковые SАТА-массивы RAID уровня 10 (сочетающих в себе надежность зеркалки и высокую скорость и объем Strip). Например, встроенные контроллеры RAID 10 имеются в чипсетах SiS, VIA и nVidia.

Важным этапом развития систем хранения стало широкое внедрение интерфейса Serial ATA. Цены на SATА и ATА модели винчестеров почти сравнялись, появилось более производительное поколение контроллеров и дисков с поддержкой интерфейса Serial ATA II с удвоенной скоростью передачи данных (3 Гбит/с). С 2009 года появились накопители с поддержкой интерфейса SATA 3 (6 Гбит/с).

RAID-массивы

Дисковые массивы с избыточностью данных, которые принято называть RAID (Redundant Arrays of Independent Disks — избыточный массив независимых дисков) известны с 1988 г. Действительно массовыми они стали с развитием IDE RAID-контроллеров. В современных адаптерах обычно реализована поддержка трех уровней (спецификаций): RAID 0, RAID 1 и RAID 0+1.

RAID 0. Дисковый массив без гарантии отказоустойчивости (Striped Disk Array without Fault Tolerance).

Представляет собой дисковый массив, в котором данные разбиваются на блоки и каждый блок записывается (считывается) на отдельный диск. Таким образом, можно осуществлять несколько операций ввода-вывода одновременно. Обеспечивает наивысшую производительность при интенсивной обработке запросов ввода/вывода и данных большого объема, но отказ одного диска влечет за собой потерю всех данных массива. В контроллерах IDE RAID, как правило, можно создавать S t r i p e d - м а с с и в ы из двух или четырех дисков. Объем массива равен объему наименьшего диска, умноженному на число дисков. При создании массива желательно использовать одинаковые диски.

RAID 1. Дисковый массив с дублированием, или «зеркалка» (mirroring).

Зеркальное дублирование данных является традиционным способом повышения надежности дискового массива небольшого объема. В простейшем варианте используются два диска, на которые записываются одинаковые данные. В случае отказа одного из дисков остается его копия (дубль), которая продолжает работать в прежнем режиме. Преимущества заключаются в надежности, основной недостаток — удвоение стоимости хранения данных. В контроллерах IDE RAID, как правило, можно создавать зеркальные массивы из двух дисков. Объем массива равен объему наименьшего диска. В этом случае также желательно использовать одинаковые диски. Большинство современных контроллеров позволяют подключать «запасной» диск, на который в случае отказа одного из основных дисков массива вся информация пишется в фоновом режиме. В принципе, такая конфигурация выдерживает отказ двух дисков из трех.

RAID 0+1. Распределенный массив с зеркальным дублированием.

Сочетает преимущества двух описанных выше уровней, но отличается высокой стоимостью, так как требует подключения минимум четырех дисков (создается распределенный массив из двух дисков, который зеркально дублируется). Полученная конфигурация устойчива к отказу одного диска, скорость работы чуть меньше, чем у распределенного массива из двух дисков. Кроме того, многие контроллеры позволяют сделать из нескольких дисков один виртуальный, равный по емкости суммарному объему используемых дисков (режим spare).