Файл: «Устройство персонального компьютера».pdf

Одним из самых важных регистров стоит выделить – счетчик команд, его функция – передавать другим регистрам какую операцию необходимо выполнить далее. По-другому его можно назвать указателем команд, так как по сути счетчик команд ничего не считает, но первое определение более распространено. Необходимо выделить регистр команд, в нем находится команда, которая выполняется в данный момент времени.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) - это комбинационная цифровая электронная схема, которая выполняет арифметические и побитовые операции над целыми двоичными числами. Это в отличие от модуля с плавающей запятой (FPU), который работает с числами с плавающей запятой. ALU является фундаментальным строительным блоком многих типов вычислительных схем, включая центральный процессор (CPU) компьютеров, FPU и графические процессоры (GPU). Один CPU, FPU или GPU может содержать несколько ALU.

Входными данными для ALU являются данные, с которыми нужно работать, которые называются операндами, и код, указывающий на операцию, которую нужно выполнить; выход ALU является результатом выполненной операции. Во многих конструкциях ALU также имеет входы или выходы состояния или оба, которые передают информацию о предыдущей операции или текущей операции, соответственно, между ALU и внешними регистрами состояния.

Центральный процессор выполняет каждую команду за несколько шагов:

1) вызывает следующую команду из памяти и переносит ее в регистр команд;

2) меняет положение счетчика команд, который теперь должен указывать на следующую команду;

3) определяет тип вызванной команды;

4) если команда использует слово из памяти, определяет, где находится это слово;

5) переносит слово, если это необходимо, в регистр центрального процессора;

6) выполняет команду;

7) переходит к шагу 1, чтобы начать выполнение следующей команды.

3.2 Память компьютера

Компьютерная память, устройство, которое используется для временного или постоянного хранения данных или программ (последовательностей инструкций) для использования в электронно-цифровом компьютере. Компьютеры представляют информацию в двоичном коде, записанном в виде последовательностей 0 и 1. Каждая двоичная цифра (или «бит») может быть сохранена любой физической системой, которая может находиться в одном из двух стабильных состояний, чтобы представлять 0 и 1. Такая система называется бистабильной. Это может быть двухпозиционный переключатель, электрический конденсатор, который может накапливать или терять заряд, магнит с полярностью вверх или вниз или поверхность, которая может иметь яму или нет. Сегодня конденсаторы и транзисторы, выполняющие функции крошечных электрических переключателей, используются для временного хранения, а диски или лента с магнитным покрытием или пластиковые диски с рисунками ямок используются для длительного хранения.

Память компьютера делится на основную (или основную) память и вспомогательную (или вторичную) память. В оперативной памяти хранятся инструкции и данные во время выполнения программы, а во вспомогательной памяти хранятся данные и программы, которые в данный момент не используются, и обеспечивается долговременное хранение.

Первыми запоминающими устройствами были электромеханические переключатели или реле (см. Компьютеры: первый компьютер) и электронные трубки (см. Компьютеры: первые машины с хранимой программой). В конце 40-х годов первые компьютеры с хранимой программой использовали ультразвуковые волны в трубках ртути или заряды в специальных электронных трубках в качестве основной памяти. Последние были первой оперативной памятью (RAM). RAM содержит ячейки памяти, к которым можно обращаться напрямую для операций чтения и записи, в отличие от памяти с последовательным доступом, такой как магнитная лента, в которой каждая ячейка в последовательности должна быть доступна до тех пор, пока не будет найдена нужная ячейка.

Магнитные барабаны, которые имели фиксированные головки чтения / записи для каждой из множества дорожек на внешней поверхности вращающегося цилиндра, покрытого ферромагнитным материалом, использовались как для основной, так и для вспомогательной памяти в 1950-х годах, хотя доступ к ним был последовательным.

Около 1952 года была разработана первая относительно дешевая оперативная память: память на магнитных сердечниках, расположение крошечных ферритовых сердечников на проволочной сетке, через которые можно было направлять ток для изменения выравнивания отдельных сердечников. Из-за неотъемлемого преимущества ОЗУ, память ядра была основной формой основной памяти, пока не была заменена полупроводниковой памятью в конце 1960-х годов.

Существует два основных типа полупроводниковой памяти. Статическая RAM (SRAM) состоит из триггеров, бистабильной схемы, состоящей из четырех-шести транзисторов. Как только триггер сохраняет бит, он сохраняет это значение до тех пор, пока в нем не будет сохранено противоположное значение. SRAM обеспечивает быстрый доступ к данным, но физически он относительно большой. Он используется в основном для небольших объемов памяти, называемых регистрами в центральном процессоре (ЦП) компьютера, и для быстрой «кэш-памяти». Динамическое ОЗУ (DRAM) хранит каждый бит в электрическом конденсаторе, а не в триггере, используя транзистор в качестве переключателя для зарядки или разрядки конденсатора. Поскольку в нем меньше электрических компонентов, ячейка памяти DRAM меньше SRAM. Однако доступ к его значению медленнее, и, поскольку конденсаторы постепенно теряют заряд, сохраненные значения должны заряжаться примерно 50 раз в секунду. Тем не менее, DRAM обычно используется для основной памяти, потому что чип такого же размера может содержать в несколько раз больше памяти DRAM, чем SRAM.

Ячейки памяти в оперативной памяти имеют адреса. Обычно ОЗУ состоит из «слов» длиной от 8 до 64 бит или от 1 до 8 байтов (8 бит = 1 байт). Размер слова, как правило, представляет собой количество битов, которые могут быть переданы одновременно между основной памятью и процессором. Каждое слово, и обычно каждый байт, имеет адрес. Микросхема памяти должна иметь дополнительные схемы декодирования, которые выбирают набор ячеек памяти, которые находятся по определенному адресу, и либо сохраняют значение по этому адресу, либо извлекают то, что хранится там. Основная память современного компьютера состоит из нескольких микросхем памяти, каждая из которых может содержать много мегабайт (миллионов байтов), и еще одна схема адресации выбирает соответствующую микросхему для каждого адреса. Кроме того, DRAM требует, чтобы схемы обнаруживали свои сохраненные значения и периодически обновляли их.

Для доступа к данным основной памяти требуется больше времени, чем для работы с ними. Например, доступ к памяти DRAM обычно занимает от 20 до 80 наносекунд (миллиардные доли секунды), но арифметические операции с ЦП могут занимать только наносекунду или меньше. Есть несколько способов обработки этого неравенства. Процессоры имеют небольшое количество регистров, очень быструю SRAM, которая хранит текущие инструкции и данные, с которыми они работают. Кэш-память - это больший объем (до нескольких мегабайт) быстрой SRAM на чипе процессора. Данные и инструкции из основной памяти передаются в кэш, и поскольку программы часто демонстрируют «локальность ссылок», то есть они выполняют одну и ту же последовательность команд некоторое время в повторяющемся цикле и работают с наборами связанных данных, ссылки на память могут быть внесенным в быстрый кэш, как только значения будут скопированы в него из основной памяти.

Большая часть времени доступа к DRAM уходит на декодирование адреса для выбора соответствующих ячеек памяти. Свойство locality reference означает, что будет часто использоваться последовательность адресов памяти, а быстрый DRAM предназначен для ускорения доступа к последующим адресам после первого. Синхронный DRAM (SDRAM) и EDO (расширенный вывод данных) - два таких типа быстрой памяти.

Энергонезависимые полупроводниковые запоминающие устройства, в отличие от SRAM и DRAM, не теряют своего содержимого при отключении питания. Некоторые энергонезависимые запоминающие устройства, такие как постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), невозможно перезаписать после изготовления или записи. Каждая ячейка памяти микросхемы ПЗУ имеет либо транзистор для 1 бита, либо ни одного для 0 бита. ПЗУ используются для программ, которые являются неотъемлемой частью работы компьютера, таких как программа начальной загрузки, которая запускает компьютер и загружает его операционную систему или BIOS (базовая система ввода / вывода), которая обращается к внешним устройствам в персональном компьютере (ПК).

EPROM (стираемое программируемое ПЗУ), EAROM (электрически изменяемое ПЗУ) и флэш-память - это типы энергонезависимой памяти, которые можно перезаписывать, хотя перезапись занимает гораздо больше времени, чем чтение. Таким образом, они используются в качестве памяти специального назначения, где запись редко требуется - например, при использовании для BIOS их можно изменить для исправления ошибок или обновления функций.

Вспомогательные блоки памяти находятся среди компьютерного периферийного оборудования. Они обменивают более медленные скорости доступа для большей емкости хранения и стабильности данных. Вспомогательная память содержит программы и данные для будущего использования, и, поскольку она энергонезависима (например, ПЗУ), она используется для хранения неактивных программ и для архивирования данных. Ранние формы вспомогательного хранения включали перфорированную бумажную ленту, перфокарты и магнитные барабаны. С 1980-х годов наиболее распространенными формами вспомогательного хранения были магнитные диски, магнитные ленты и оптические диски.

Магнитные диски покрыты магнитным материалом, таким как оксид железа. Существует два типа: жесткие диски из жесткого алюминия или стекла и съемные дискеты из гибкого пластика. В 1956 году в IBM был изобретен первый магнитный жесткий диск (HD); состоящий из 50 21-дюймовых (53-см) дисков, он имел емкость 5 мегабайт. К 1990-м годам стандартный диаметр HD для ПК сократился до 3,5 дюймов (около 8,9 см), а емкость хранилища превысила 100 гигабайт (миллиарды байт); HD стандартного размера для портативных ПК («ноутбуков») составлял 2,5 дюйма (около 6,4 см). Со времени изобретения дисководом гибких дисков (FDD) в IBM Аланом Шугартом в 1967 году количество дискет сократилось с 8 дюймов (около 20 см) до нынешнего стандарта 3,5 дюйма (около 8,9 см). Диски FDD имеют небольшую емкость - обычно менее двух мегабайт - и устарели с момента появления дисководов оптических дисков в 1990-х годах.

Жесткие диски обычно имеют несколько дисков или пластин с электромагнитной головкой чтения / записи для каждой поверхности; вся сборка называется расческой. Микропроцессор в приводе контролирует движение головок, а также содержит оперативную память для хранения данных для передачи на диски и с дисков. Головки перемещаются по поверхности диска, когда он вращается до 15 000 оборотов в минуту; диски герметично закрыты, что позволяет головкам плавать на тонкой пленке воздуха в непосредственной близости от поверхности диска. Небольшой ток подается на головку для намагничивания крошечных пятен на поверхности диска для хранения; точно так же, намагниченные пятна на диске генерируют токи в голове, когда она движется, позволяя читать данные. FDD работают аналогично, но съемные дискеты вращаются со скоростью всего несколько сотен оборотов в минуту.

Данные хранятся в близких концентрических дорожках, которые требуют очень точного управления головками чтения / записи. Усовершенствования в управлении головками позволили упаковать меньшую и более плотную дорожку - до 20 000 дорожек на дюйм (8 000 дорожек на см) к началу 21-го века - что привело к увеличению емкости хранения этих устройств почти на 30 процентов в год с 1980-х годов. RAID (избыточный массив недорогих дисков) объединяет несколько дисков для избыточного хранения данных для повышения надежности и ускорения доступа. Они используются на высокопроизводительных компьютерных сетевых серверах.

Магнитная лента, подобная ленте, используемой в магнитофонах, также использовалась для вспомогательного хранения, главным образом для архивирования данных. Лента дешевая, но время доступа намного медленнее, чем у магнитного диска, поскольку она представляет собой память с последовательным доступом, т. Е. Данные должны последовательно считываться и записываться при разматывании ленты, а не извлекаться непосредственно из нужной точки на ленте. , Серверы также могут использовать большие коллекции лент или оптических дисков с роботизированными устройствами для их выбора и загрузки, подобно старомодным музыкальным автоматам.

Распространенным оптическим диском является CD-ROM (компакт-диск только для чтения). Он содержит около 700 мегабайт данных, записанных с помощью кода, исправляющего ошибки, который может исправить всплески ошибок, вызванных пылью или дефектами. Компакт-диски используются для распространения программного обеспечения, энциклопедий и мультимедийного текста с аудио и изображениями. CD-R (записываемый на CD) или WORM (многократное чтение с однократной записью) - это вариант CD-ROM, на котором пользователь может записывать информацию, но не может впоследствии ее изменить. CD-RW (перезаписываемые CD) диски могут быть перезаписаны. Диски DVD (цифровое видео или универсальные диски), разработанные для записи фильмов, хранят данные более плотно, чем компакт-диски, с более мощным исправлением ошибок. Несмотря на то, что DVD-диски имеют такой же размер, как и DVD-диски, они обычно содержат от 5 до 17 гигабайт - несколько часов видео или несколько миллионов страниц текста.

Магнитооптические диски являются гибридным носителем информации. При считывании пятна с разными направлениями намагниченности дают различную поляризацию в отраженном свете лазерного луча малой мощности. В письменном виде каждое пятно на диске сначала нагревается сильным лазерным лучом, а затем охлаждается в магнитном поле, намагничивая каждую точку в одном направлении, чтобы сохранить все 0. Затем процесс записи меняет направление магнитного поля в обратном направлении, чтобы сохранить единицы, где это необходимо.