Файл: Устройство персонального компьютера ( Магистрально-модульный принцип построения компьютера ).pdf
Добавлен: 01.04.2023
Просмотров: 91
Скачиваний: 3
Некоторые источники относят также к устройствам ввода-вывода и внешние записывающие устройства (например, дисководы). Однако хотя дисковые и ленточные накопители являются внешними, периферийными устройствами, основная их функция – хранение информации. Тем более что информация на внешние носители не может поступить непосредственно из окружающей среды или от пользователя – чтобы нанести ее на ленту или диск, необходимо специальное устройство, управляемое компьютером (устройство ввода)[14].
ГЛАВА 2. УСТРОЙСТВА КОМПЬЮТЕРА
2.1. Структура памяти компьютера. Внутренняя память
В составе памяти компьютера различают внутреннюю (основную) память и внешнюю память. Можно выделить также собственную память процессора (регистры памяти процессора).
Как правило, когда говорят о «памяти компьютера», имеют в виду его внутреннюю память. В рамках данного параграфа мы также воспользуемся таким сокращением.
Конструктивно внутренняя память представляет собой микросхему (чаще несколько микросхем). Каковы бы ни были физические принципы работы элементов внутренней памяти и технические особенности их конструкции – а на различных этапах развития вычислительной техники они были разными – главное в том, что элемент памяти может находиться в двух устойчивых состояниях, т.е. хранить либо 0, либо 1. При этом его состояние может быть легко изменено в результате внешнего воздействия (поступившего сигнала).
Объем внутренней памяти сравнительно небольшой. Фактически, это объем данных, которые можно разместить в памяти, и измеряется в тех же единицах, что и объем данных. Таким образом, объем внутренней памяти компьютеров растет, но все же остается небольшим в сравнении с практически неограниченной емкостью внешних носителей информации[15].
Главным достоинством внутренней памяти является быстрый доступ к хранимой информации за счет быстрого поиска и быстрого обмена сигналами с процессором. Это достигается не только за счет технического совершенства элементов памяти, но и за счет особенностей ее структурной организации.
В соответствии с принципами архитектуры фон Неймана память обладает двумя свойствами: дискретностью и адресуемостью.
Дискретность означает, что память состоит из отдельных частиц, наименьшей из которых является 1 бит – участок памяти для хранения одного двоичного разряда (двоичной цифры). Биты объединены в группы, каждая из которых обрабатывается как единое целое. Такая группа называется байт и состоит, как правило, из 8 бит. Один или несколько байт образуют ячейку памяти.
Байты внутренней памяти пронумерованы, нумерация начинается с нуля. Номер байта называется его адресом. Такое свойство памяти называется адресуемостью и способствует быстрому поиску информации. Его можно сформулировать так: вся память разбита на ячейки, и каждой ячейке присвоен адрес.
В качестве адреса ячейки берется адрес младшего байта (байта с наименьшим адресом, входящего в состав ячейки). Именно по адресу процессор находит нужную для обработки информацию при обращении к внутренней памяти.
Содержимое ячейки доступно для обработки одной командой и называется машинное слово. Длина машинного слова может быть различной. Первоначально она составляла 8 бит (1байт). Тогда термины «ячейка», «байт», «слово» имели примерно одинаковый смысл. В современных компьютерах длина машинного слова составляет 2 байта (16 бит), т.е. удвоенное слово, и даже 4 байта (32 бита) – учетверенное слово. Таким образом, адреса ячеек изменяются, начиная с нуля, через 1, 2 или 4 (в зависимости от длины машинного слова)[16].
От процессора к памяти и обратно информация передается целыми машинными словами. Из ячейки с указанным адресом считывается содержимое и направляется к процессору, после выполнения требуемых операций информация направляется в память и размещается в ячейке, адрес которой также указывает процессор. При этом данные передаются по шине данных, а адреса – по шине адресов.
Процессор имеет небольшую собственную память для хранения промежуточных результатов выполняемых операций. Ячейки собственной памяти процессора называются регистрами. Именно между регистрами собственной памяти процессора и ячейками внутренней памяти и происходит обмен информацией. Количество регистров невелико.
В составе внутренней памяти выделяют оперативную и постоянную память.
В оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) – в английском варианте RAM (Random Access Memory, т.е. память прямого, или произвольного, доступа) – хранится информация, с которой компьютер работает в настоящее время (исполняемая программа и используемые ею данные).
Оперативная память доступна как для чтения хранящихся в ней данных, так и для записи новых. Обращение процессора к ячейкам оперативной памяти производится напрямую по адресу (память прямого доступа) и не зависит от расположения ячейки.
Однако работа ОЗУ зависит от источника питания. Отключение энергии приводит к потере информации в ОЗУ.
С точки зрения физических принципов действия различают динамическую (DRAM) и статическую (SRAM) память[17].
В микросхемах динамической памяти используются микроконденсаторы, которые хранят заряд, несущий информацию. Однако конденсаторы постепенно теряют заряд и требуют постоянной подзарядки – регенерации ячеек оперативной памяти. К тому же для смены заряда (состояния элемента памяти) требуется некоторое время – это обусловлено физикой процесса. Оба эти фактора несколько замедляют работу. И все же динамическая память достаточно эффективна и экономична (ячейки ее очень компактны, а затраты на изготовление сравнительно невелики), поэтому ее микросхемы используются для реализации основной оперативной памяти компьютера.
На иных принципах работают микросхемы статической памяти. Они содержат полупроводниковые запоминающие элементы – триггеры. Ячейки статической памяти хранят не заряд, а состояние, и работают значительно быстрее, т.к. быстрее происходит смена состояния при внешнем воздействии и не требуется подзарядки. Такая память значительно сложнее в изготовлении, а, следовательно, дороже.
На основе статической памяти реализуется так называемая Кэш-память («сверхоперативная», вспомогательная память). Она служит буфером между основной памятью и регистрами процессора и используется для более эффективной организации их взаимодействия. В Кэш-память записываются участки оперативной памяти, которые наиболее часто используются процессором, она хранит данные, с которыми процессор будет работать в ближайшее время. Процессор сначала обращается к Кэш-памяти, и лишь не найдя нужного содержимого, производит поиск в основной оперативной памяти. При этом среднее время доступа к памяти в целом сокращается за счет меньшего времени доступа к Кэш-памяти (оно в несколько раз меньше времени доступа к основной памяти). Кэш-память невелика (обычно до 256 Кбайт), ее регистры недоступны для пользователя (от английского «cache» -тайник).
К внутренней памяти относятся также микросхемы постоянного запоминающего устройства (ПЗУ). Обладая всеми достоинствами внутренней памяти, она к тому же не зависит от источника питания, т.е. информация в ПЗУ хранится длительное время при отключенном питании компьютера. Однако информация записывается в ПЗУ («зашивается») единственный раз на этапе изготовления микросхемы, изменить ее пользователь не в состоянии.
Программы, зашитые в ПЗУ, в частности, обеспечивают начальную загрузку. В момент включения компьютера в оперативной памяти ничего нет, а для работы процессора сразу же требуется определенная программа, которая и хранится в ПЗУ. В основном, в ПЗУ хранится комплект программ, образующих базовую систему ввода/вывода (BIOS – Basic Input Output System). Его назначение состоит в проверке состава и работоспособности компьютерной системы и в обеспечении взаимодействия с основными внешними устройствами: клавиатурой, монитором, дисководом гибких дисков, жестким диском[18].
2.2. Внешняя память компьютера
В отличие от внутренней памяти, к которой процессор обращается непосредственно и регулярно в ходе обработки данных и для которой организация быстрого доступа к информации не менее, а может быть и более важна, чем большой объем и возможность длительного хранения данных, внешняя память предназначена именно для длительного и надежного хранения больших массивов информации.
Основными достоинствами внешней памяти становятся энергонезависимость и большая емкость, которая при использовании сменных носителей становится практически неограниченной.
Для внешней памяти основным является понятие носителя – материального объекта, способного хранить информацию. К носителю предъявляются требования долговременного надежного хранения данных в наиболее компактной форме. Время обращения к такому носителю существенно больше времени обращения к внутренней памяти, поэтому программы и данные, подлежащие обработке, предварительно загружаются с внешних носителей в оперативную память компьютера, хотя в процессе работы могут происходить и дополнительные обращения к внешнему носителю.
В качестве внешних носителей используются магнитные ленты и диски, оптические диски, а также магнитооптические диски.
Устройства, которые обеспечивают запись информации на внешний носитель, ее поиск и считывание в оперативную память, называются накопителями.
Если накопитель работает с носителями, имеющими форму дисков, его еще называют дисководом.
Основным – и до недавнего времени единственным – способом записи, длительного хранения и считывания информации, применяемым во внешних запоминающих устройствах компьютера, является магнитный способ. Он основан на магнитных свойствах веществ, среди которых выбираются вещества с сильно выраженной способностью к намагничиванию – ферромагнетики. В их внутренней структуре присутствуют микроскопические области, атомы которых расположены так, что их магнитные поля имеют одинаковое направление. Такие области самопроизвольной намагниченности называются домены и имеют размер порядка 10-3 мм.
Среди ферромагнетиков выбирают материалы с определенными свойствами (прямоугольная петля гистерезиса) – для них можно зафиксировать только два направления намагниченности, соответствующие двоичным цифрам 0 и 1[19].
Если какую-либо поверхность покрыть тонким слоем такого вещества и поместить в переменное магнитное поле, то домены будут ориентированы в соответствии с изменяющимся внешним воздействием. Такое поле создает магнитная головка, на которую поступают электрические импульсы, соответствующие записываемой информации. Они создают зоны остаточной намагниченности с ориентацией в двух направлениях (намагничено-ненамагничено, 0-1), которые сохраняются и после снятия внешнего поля.
При считывании происходит обратный процесс: намагниченные участки порождают в магнитной головке электрические импульсы, которые фиксируются и передаются во внешнюю память.
В зависимости от формы ферромагнитной поверхности носителя различают ленточные и дисковые внешние запоминающие устройства.
В качестве носителя в накопителях на магнитной ленте (НМЛ) используется покрытая ферромагнетиком лента, зафиксированная на бобинах или кассетах. Соответственно, применяются бобинные накопители на магнитной ленте или кассетные накопители – стримеры. Бобинные накопители нашли применение в основном в больших универсальных ЭВМ. В персональных компьютерах используются только стримеры – лентопротяжные механизмы, обеспечивающие запись и считывание с магнитной ленты, упакованной в картридж – кассету с магнитной лентой.
Время обращения к информации, записанной на магнитной ленте, весьма велико, и поиск нужной информации затруднен, ибо накопитель на магнитной ленте является устройством последовательного доступа – требуется перемотка ленты на кассете, чтобы нужный ее участок оказался в зоне действия магнитной головки. Постоянные перемотки ленты не только увеличивают время доступа к информации, но также приводят к обрывам и порче ленты. Все это делает накопители на магнитной ленте не слишком надежными и удобными в работе. В настоящее время стримеры используются в основном для резервного копирования и хранения информации, а в бытовых компьютерах – для хранения игровых программ[20].
Перечисленных недостатков лишены магнитные носители в дисковой форме: гибкие и жесткие магнитные диски. Дисководы, или накопители на магнитных дисках, являются наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами для ПК. Главным их достоинством является то, что магнитная головка дисковода легко может быть подведена к нужному участку диска – это обеспечивает прямой доступ к информации, что в значительной мере повышает скорость работы и надежность всего устройства.