Комбинированные уровни

Помимо базовых уровней RAID 0 - RAID 5, описанных в стандарте, существуют комбинированные уровни RAID 1+0, RAID 3+0, RAID 5+0, RAID 1+5, которые различные производители интерпретируют каждый по-своему.

• RAID 1+0 — это сочетание зеркалирования и чередования (см. выше).

• RAID 5+0 — это чередование томов 5-го уровня.

• RAID 1+5 — RAID 5 из зеркалированных пар.

Комбинированные уровни наследуют как преимущества, так и недостатки своих «родителей»: появление чередования в уровне RAID 5+0 нисколько не добавляет ему надёжности, но зато положительно отражается на производительности. Уровень RAID 1+5, наверное, очень надёжный, но не самый быстрый и, к тому же, крайне неэкономичный: полезная ёмкость тома меньше половины суммарной ёмкости дисков…

Стоит отметить, что количество жёстких дисков в комбинированных массивах также изменится. Например для RAID 5+0 используют 6 или 8 жёстких дисков, для RAID 1+0 — 4, 6 или 8.

Сравнениестандартныхуровней

* N — количество дисков в массиве, S — объём наименьшего диска.

** Информация не потеряется, если выйдут из строя все диски в пределах одного зеркала. *** Информация не потеряется, если выйдут из строя два диска в пределах разных зеркал.

КАНАЛЫИИНТЕРФЕЙСЫВВОДА-ВЫВОДА.

Интерфейс – это стандарт на сопряжение информационных блоков, определяющий число линий, тип передаваемой по каждой линии информации и направление передачи, кодировку информации, передаваемой по линии, все электрические и временные параметры сигналов и конструктивы соединения (разъемы).

Принципыорганизациисистемввода-вывода.В ЭВМ можно выделить ядро в составе процессора и ОЗУ и периферийные устройства (ПУ) в составе ВЗУ и УВВ.

Передача информации от ядра к периферийному устройству является операцией вывода, а от периферийного устройства к ядру – операцией ввода.

Проблемы построения систем ввода-вывода:

1. Должна быть обеспечена реализация ЭВМ с переменным составом оборудования.

2. Должна быть обеспечена параллельная во времени работа процессора и ПУ.

3. Должно быть упрощено и стандартизировано программирование операции ввода-вывода независимо от особенностей реализации периферийных устройств.

4. Должно быть реализовано автоматическое распознавание и реакция ядра ЭВМ на ситуации в ПУ.

Это особенно актуально для ЭВМ с развитой периферией. Пути решения проблем:

1. Модульность. Отдельные устройства выполняются в виде конструктивно законченных модулей, просто объединённых в ЭВМ. Корректность кабельных связей и программ.

2. Унифицированные форматы данных для обмена ядра и внешних устройств (ВнУ), в т.ч. унифицированный формат сообщения о состоянии ВнУ. Преобразование унифицированных форматов данных в индивидуальные происходит в самих ВнУ.

3. Унифицированный интерфейс.

4. Унифицированный (не зависящий от типа ВнУ) формат и набор команд Пр для операции ввода-вывода. Операция ввода-вывода для Пр – операция передачи данных независимо от особенностей работы ВнУ, типа носителя и т.п.

Способы организации передачи данных между памятью и ВнУ

Рис.Способыобменаинформациеймеждупериферийнымиустройствамиивычислительнымядром

При программно-управляемой передаче и передачах данных с прерыванием программы обмен осуществляется под управлением процессора. Операции ввода-вывода при таких обменах инициируются либо текущей командой программы, либо запросом прерывания от периферийного устройства.

В режиме прямого доступа к памяти передача информации выполняется без участия процессора под управлением специализированного управляющего блока — контроллера прямого доступа к памяти.

Программно-управляемыйобмен бывает синхронным и асинхронным. Инициатором обмена всегда выступает процессор, реализующий требуемые операции ввода-вывода с помощью соответствующих команд.

Синхроннаяпередача применяется при взаимодействии с быстродействующими периферийными устройствами, для обмена с которыми не требуется дополнительной синхронизации (такие устройства ввода-вывода всегда готовы к обмену информацией). Этот способ передачи реализуется при минимальных затратах аппаратных и программных средств.

Асинхронныйобмен является более универсальным и более сложным способом программно-управляемого обмена. Он используется при работе с периферийными устройствами, быстродействие которых ниже быстродействия процессора. В некоторые моменты времени такие периферийные устройства могут оказаться не готовыми к обмену. Поэтому для выполнения программно-управляемого обмена в общем случае необходимо использовать специальные средства, синхронизирующие процесс приема-передачи. Эти средства содержатся в адаптере (контроллере) периферийных устройств. Адаптер (контроллер) подключается к шине ВМ и служит посредником между периферийными устройствами и вычислительным ядром.

ПУ (адаптер) содержит регистр данных (порт данных). В режиме ввода данные из периферийных устройств поступают в порт и хранятся в нем до момента пересылки по шине в вычислительное ядро. В режиме вывода данные записываются в порт процессором и хранятся там до передачи с помощью адаптера в устройство вывода.

Кроме регистра данных ПУ содержат в своем составе специальные регистры управления и состояния, которые обеспечивают взаимодействие процессора и адаптера периферийного устройства, необходимое для управления процессом обмена.

Регистр состояния отражает факт подключения периферийного устройства и его работоспособность. Один из разрядов этого регистра может использоваться в качестве флага готовности (READY), который устанавливается периферийным устройством при готовности к приему-передаче данных через шину. Процессор может проверить состояние флага готовности и при наличии сигнала готовности выполнить требуемый обмен.

Программно-управляемая передача является идеальным (самым быстрым) способом обмена данными между периферийным устройством и процессором. Недостатком такого способа обмена являются вынужденные непроизводительные затраты времени процессора на ожидание готовности периферийного устройства к обмену.

Передачаданныхспрерываниемпрограммы – это тип обмена данными, при котором для выполнения операций ввода-вывода производят прерывание программы. Важным отличием обмена данными с прерыванием программы от синхронного и асинхронного обменов является то, что в нем инициатором обмена является не процессор, а внешнее устройство, запросившее обмен. Возможность прерывания программ — важное архитектурное свойство ВМ, позволяющее повышать производительность процессора при наличии нескольких протекающих параллельно во времени процессов, требующих в произвольные моменты времени управления и обслуживания со стороны процессора.

Реализация обменов с прерыванием программы по сравнению с программноуправляемым вводом-выводом требует более сложной аппаратной и программной поддержки.

Периферийное устройство, поддерживающее такой обмен, должно содержать специальную схему, формирующую сигнал запроса прерывания INT, который по соответствующей линии шины управления поступает на одноименный вход процессора.

При использовании обменов с прерыванием программы процессор не тратит время на слежение за состоянием флагов готовности своих устройств вводавывода, а работает по своей основной программе. При готовности к обмену активизирующееся устройство ввода-вывода формирует запрос прерывания и посылает его процессору. Последний, обнаружив сигнал запроса, завершает выполнение операций, которые нельзя прервать и выполняет определенную последовательность действий.

Сигналы аппаратных прерываний, возникающие в устройствах, входящих в состав компьютера или подключенных к нему, поступают в процессор не непосредственно, а через два контроллера прерываний, один из которых называется ведущим, а второй – ведомым.

Два контроллера используются для увеличения допустимого количества внешних устройств. Дело в том, что каждый контроллер прерываний может обслуживать сигналы лишь от 8 устройств.

Для обслуживания большего количества устройств контроллеры можно объединять, образуя из них веерообразную структуру. В современных машинах устанавливают два контроллера, увеличивая тем самым возможное число входных устройств до 15 (7 у ведущего и 8 у ведомого контроллеров).

К входным выводам IRQ1...IRQ7 и IRQ8...IRQ15 (IRQ - это сокращение от Interrupt Request, запрос прерывания) подключаются выводы устройств, на которых возникают сигналы прерываний. Выход ведущего контроллера подключается к входу INT микропроцессора, а выход ведомого - к входу IRQ2 ведущего.

Основная функция контроллеров - передача сигналов запросов прерываний от внешних устройств на единственный вход прерываний микропроцессора. При этом, кроме сигнала INT, контроллеры передают в микропроцессор по линиям данных номер вектора, который образуется в контроллере путем сложения базового номера, записанного в одном из его регистров, с номером входной линии, по которой поступил запрос прерывания. Номера базовых векторов заносятся в контроллеры автоматически в процессе начальной загрузки компьютера. Для ведущего контроллера базовый вектор всегда равен 8, для ведомого - 70h. Таким образом, номера векторов, закрепленных за аппаратными прерываниями, лежат в диапазонах 8h...Fh и 70h...77h. Очевидно, что номера векторов аппаратных прерываний однозначно связаны с номерами линий, или уровнями IRQ, а через них - с конкретными устройствами компьютера.

Процессор, получив сигнал прерывания, выполняет последовательность стандартных действий, обычно называемых процедурой прерывания. Подчеркнем, что здесь идет речь лишь о реакции самого процессора на сигналы прерываний, а не об алгоритмах обработки прерываний, предусматриваемых пользователем в программах обработки прерываний.

Получив сигнал на выполнение процедуры прерывания с определенным номером, процессор сохраняет в стеке выполняемой программы текущее содержимое трех регистров процессора: регистра флагов, CS и IP. Два последних числа образуют полный адрес возврата в прерванную программу. Далее процессор загружает CS и IP из соответствующего вектора прерываний, осуществляя, тем самым, переход на обработчик прерывания, связанный с этим вектором.

Обработчик прерываний всегда заканчивается командой iret (interrupt return, возврат из прерывания), выполняющей обратные действия - извлечение из стека сохраненных там слов и помещение их назад в регистры IP и CS, а также в регистр флагов. Это приводит к возврату в основную программу в ту самую точку, где она была прервана.

В действительности запросы на обработку прерываний могут иметь различную природу. Помимо описанных выше аппаратных прерывания от периферийных устройств, называемых часто внешними, имеются еще два типа прерываний: внутренние и программные.

Внутренние прерывания возбуждаются цепями самого процессора при возникновении одной из специально оговоренных ситуаций, например, при выполнении операции деления на ноль или при попытке выполнить несуществующую команду. За каждым из таких прерываний закреплен определенный вектор, номер которого известен процессору. Например, за делением на 0 закреплен вектор 0, а за неправильной командой - вектор 6. Если процессор сталкивается с одной из таких ситуаций, он выполняет описанную выше процедуру прерывания, используя закрепленный за этой ситуацией вектор прерывания.

Наконец, еще одним чрезвычайно важным типом прерываний являются программные прерывания. Они вызываются командой hit с числовым аргументом, который рассматривается процессором, как номер вектора прерывания. Если в программе встречается, например, команда

Int 13h

то процессор выполняет ту же процедуру прерывания, используя в качестве номера вектора операнд команды int. Программные прерывания применяются в первую очередь для вызова системных обслуживающих программ - функций DOS и BIOS. С командой int 2In вызова DOS мы уже сталкивались в примере 1-1 и будем встречаться еще многократно. В дальнейшем будут также приведены примеры использования команды int для вызова прикладных обработчиков программных прерываний.

Важно подчеркнуть, что описанные действия процессора выполняются совершенно одинаково для всех видов прерываний - внутренних, аппаратных и программных, хотя причины, возбуждающие процедуру прерывания, имеют принципиально разную природу.

Большая часть векторов прерываний зарезервирована для выполнения определенных действий; часть из них автоматически заполняется адресами системных программ при загрузке системы. Приведем краткую выдержку из таблицы векторов, позволяющую продемонстрировать разнообразие ее состава:

00h -внутреннее прерывание, деление на 0;

0lh -внутреннее прерывание, пошаговое выполнение (при TF=1);

02h -немаскируемое прерывание (вывод NMI процессора); 08h -аппаратное прерывание от системного таймера;

09h -аппаратное прерывание от клавиатуры;

0Eh -аппаратное прерывание от гибкого диска;

10h - программное прерывание, программы BIOS управления видеосистемой;

13h - программное прерывание, программы BIOS управления дисками;

16h - программное прерывание, программы BIOS управления клавиатурой; IDh -не вектор, адрес таблицы видеопараметров, используемой BIOS; lEh -не вектор, адрес таблицы параметров дискеты, используемой BIOS;

21h - программное прерывание, диспетчер функций DOS;

22h - программное прерывание, адрес перехода при завершении процесса, используемый DOS;

23h -программное прерывание, обработчик прерываний по <Ctrl>/C, используемый DOS;

25h - программное прерывание, абсолютное чтение диска (функция DOS);

26h - программное прерывание, абсолютная запись на диск (функция DOS);

60h...66h - зарезервировано для программных прерываний пользователя;

68h...6Fh - программные прерывания, свободные векторы;

70h -аппаратное прерывание от часов реального времени (с питанием от аккумулятора);

76h -аппаратное прерывание от жесткого диска;

Как видно из таблицы, векторы прерываний можно условно разбить на следующие группы:

− векторы внутренних прерываний процессора (0lh, 02h и др.);

− векторы аппаратных прерываний (08h...0Fh и 70h...77h);

− программы BIOS обслуживания аппаратуры компьютера (10h, 13h, 16h и др.);

− программы DOS (21h, 22h, 23h и др.);

− адреса системных таблиц BIOS (IDh, lEh и др.).

Системные программы, адреса которых хранятся в векторах прерываний, в большинстве своем являются всего лишь диспетчерами, открывающими доступ к большим группам программ, реализующих системные функции. Так, видеодрайвер BIOS (вектор 10h) включает программы смены видеорежима, управления курсором, задания цветовой палитры, загрузки шрифтов и многие другие. Особенно характерен в этом отношении вектор 21h, через который осуществляется вызов практически всех функций DOS: ввода с клавиатуры и вывода на экран, обслуживания файлов, каталогов и дисков, управления памятью и процессами, службы времени и т.д. Для вызова требуемой функции надо не только выполнить команду int с соответствующим номером, но и указать системе в одном из регистров (для этой цели всегда используется регистр АН) номер вызываемой функции. Иногда для "многофункциональных" функций приходится указывать еще и номер подфункции (в регистре AL).

Прямымдоступомкпамяти (ПДП) называют способ обмена данными, обеспечивающий установление связи и передачу данных между оперативной памятью и периферийным устройством автономно от центрального процессора. При наличии кэш-памяти (внутренней или внешней) режим ПДП позволяет осуществлять обмен данными между ОП и периферийным устройством параллельно с выполнением процессором основной программы. Использование режима ПДП разгружает процессор от обслуживания операций ввода-вывода и способствует повышению общей производительности ВМ. Прямой доступ к памяти требует более сложного интерфейса, по сравнению с программноуправляемой передачей.

Для управления обменом данными в режиме ПДП применяют специальные управляющие контроллеры, которые в зависимости от вариантов аппаратной реализации подразделяются на специализированные процессоры ввода-вывода и контроллеры ПДП. В отличие от других способов обмена данными в режиме ПДП управляющий контроллер после получения запроса на организацию передачи от периферийного устройства принимает на себя функции управления системной шиной, при этом сам процессор отключается от системной шины.

Принципыпостроениясистемыввода-вывода.

Существует два принципа построения и соответственно структуры систем вводавывода:

1. С общим интерфейсом (рис. 6.1.)

2. С множеством интерфейсов и каналами ввода-вывода (рис. 6.2.).

Рис. 6.1.Структурасистемыввода-выводасобщиминтерфейсом.

Особенности системы ввода-вывода с общим интерфейсом:

− в каждый момент времени обмен осуществляется только между одной парой модулей;

− модули делят один общий ресурс – общий интерфейс;

− Пр – один из модулей;

− передача осуществляется в едином формате ОШ (соответствует машинному слову Пр или ширине выборки ОП);

− ПУ, работающие с отдельными байтами, используют программноуправляемую передачу (ПУП);

− ПУ, работающие с блоками данных, используют передачу ПДП. Сложные контроллеры;

− аппаратура ввода-вывода рассредоточена по отдельным модулям; − Пр задействован частично для ПДП и полностью для ПУП;

− имеется несколько модификаций: ОШ и мультишина.

Система обмена малых ЭВМ через общую шину эффективна лишь при сравнительно небольшом наборе периферийных устройств.

Свойства системы с множеством интерфейсов:

− централизация аппаратуры управления вв/выв в канале (процессоре) вв/выв;

− обмен между ОП и ПУ осуществляется через канал (процессор) вв/вывода;

− отсутствует однородность в структуре потоков и форматов передаваемых данных;

− наличие 4-х уровней интерфейсов.

Рис. 6.2.Структурасистемыввода-выводасмножествоминтерфейсовиканаламиввода-вывода

Основные параметры интерфейсов:

1) пропускная способность;

2) максимальная частота передачи информационных сигналов через интерфейс;

3) максимальное допустимое расстояние между устройствами;

4) динамические параметры интерфейса: время передачи слова и блока данных с учётом продолжительности процедур подготовки и завершения передачи;

5) общее число линий в интерфейсе;

6) информационная ширина интерфейса (число параллельно передаваемых бит); 7) связность интерфейса (одно- и многосвязные характеризуются соответственно единственным или множеством путей передачи информации между устройствами).

Архитектура современной ЭВМ общего назначения приведена на рис.1.2.

ЦП – центральный процессор; ПУУ – устройство группового управления периферийными устройствами; АКК - адаптер канал-канал; СП – специализированный процессор; Д – дисплей; АПД – аппаратура передачи данных; ПМ – пишущая машинка.

Селекторныйканал осуществляет обмен между ОЗУ и ВЗУ. При этом скорость обмена составляет десятки Мб/с. Т.к. скорость передачи высокая, а, следовательно, время, за которое происходит весь обмен данными, короткое, канал поддерживает связь ОЗУ с выбранным ВЗУ все время пока не закончится обмен.

Мультиплексныйканал осуществляет обмен между ОЗУ и низкоскоростными внешними устройствами. При этом ОЗУ может выдавать и принимать данные со скоростью сотни тысяч байт в секунду, а УВВ принимают и передают данные со скоростью порядка тысячи байт в секунду и медленнее.

Чтобы полностью использовать пропускную способность канала, его снабжают своим быстродействующим ЗУ и системой переключения с одного УВВ на другое (со стороны УВВ) и с одного блока ОЗУ на другой (со стороны ОЗУ). Такой канал работает в 2 такта: во-первых, он накапливает данные из УВВ в ячейках своей памяти, закрепленных за этим УВВ, переключаясь, по мере готовности передать или принять данные, с одного УВВ на другое, а во-вторых, обменивается более крупными партиями данных между своими ЗУ и ОЗУ. За эту способность к быстрому переключению получил название мультиплексного.

Одновременно с введением блок-мультиплексных каналов "обычные" мультиплексные каналы стали именоваться байт-мультиплексными - их мультиплексирование происходило на уровне отдельных байтов. Некоторые байтмультиплексные каналы имели селекторные подканалы (часть аппаратуры канала, ответственная за выполнение одной операции ввода-вывода), которые в монопольном режиме могли работать с более быстрой периферией (например, с дисплейными терминалами). У таких подканалов производительность могла достигать 500 Кбайт/с.

Для стандартизации подключения всех ВЗУ и УВВ к магистралям, идущим от каналов к устройствам, все электрические параметры этих магистралей стандартизованы.

Шина PCI. Создатели PCI отказались от традиционной концепции, введя еще одну шину между процессором и обычной шиной ввода-вывода. Вместо того чтобы подключить ее непосредственно к шине процессора, весьма чувствительной к подобным вмешательствам, они разработали новый комплект микросхем контроллеров для расширения шины (рис. 4.39).

PCI добавляет к традиционной конфигурации шин еще один уровень. При этом обычная шина ввода-вывода не используется, а создается фактически еще одна высокоскоростная системная шина с разрядностью, равной разрядности данных процессора. Компьютеры с шиной PCI появились в середине 1993 года, и вскоре она стала неотъемлемой частью компьютеров высокого класса.

Рис.ПринциппостроенияшиныPCI