Файл: Устройство персонального компьютера ( Магистрально-модульный принцип построения компьютера ).pdf

Перед началом работы диск должен быть отформатирован, т.е. сформирована его логическая структура. В частности, размечены концентрические дорожки, разбитые на сектора. В одном секторе дорожки обычно может быть размещено 512 байт (но может и 128, 256 или 1024 байта). Дорожки размещаются на одной или двух сторонах диска, в последнем случае информационная емкость диска удваивается. Если диск двусторонний, а также если несколько дисков размещены на одной оси, вводится понятие цилиндра – совокупности дорожек, расположенных друг над другом на всех рабочих поверхностях диска.

Информация с диска в оперативную память и обратно может передаваться только целым числом секторов. Один или несколько смежных секторов объединяются в кластер – минимальную единицу размещения информации на диске.

Данные на диске хранятся в файлах.

Файлом называется именованная область внешней памяти, выделенная для хранения массива информации.

Вновь созданному файлу выделяется область памяти, включающая определенное количество кластеров, которые могут находиться в любом месте диска и необязательно располагаться подряд^[21].

Информационная емкость диска определяется количеством секторов и объемом данных, которые можно разместить в одном секторе, а это зависит от многих факторов, в числе которых тип и качество диска, выбранный режим форматирования, а также тип дисковода. В частности, чем ближе к поверхности диска можно расположить магнитную головку, тем меньше участок, который в данный момент оказывается под ее воздействием, и тем плотнее может быть запись. Важными характеристиками накопителей на магнитных дисках являются также скорость вращения диска, время обращения к диску и скорость передачи информации.

Выделяют гибкие и жесткие магнитные диски.

Гибкие магнитные диски (дискеты) изготавливаются из гибкого материала (пластика), на который наносится ферромагнитное покрытие. Чтобы защитить магнитную поверхность, диск помещается в прочный пластиковый корпус, и контакт его поверхности с магнитной головкой осуществляется через специальную прорезь.

Диск устанавливается в дисковод, основными устройствами которого являются магнитная головка и механизм, который приводит диск во вращение и перемещает головку вдоль его радиуса. Дисковод гибких дисков обычно встраивается в системный блок, но может быть и самостоятельной конструкцией.

Главная особенность накопителя на гибких магнитных дисках в том, что дисковод работает со сменными дисками, которые можно переносить с компьютера на компьютер. В этом их главное предназначение. Кроме того, гибкие диски используют для резервного хранения информации (архивов). Однако дискеты неудобны для хранения информации, к которой постоянно приходится обращаться. С одной стороны, довольно велико время обращения к дискете, а с другой стороны, емкость даже в 1,44 Мбайт можно считать небольшой по сравнению с объемом памяти, который требуется для хранения современных программных средств.

---

Свободными от таких недостатков являются накопители на жестких магнитных дисках, которые получили название «винчестер» (параметры первой модели такого диска – 30 дорожек по 30 секторов случайно совпали с параметрами известного охотничьего ружья – 30/30, так по ассоциации возникло название)^[22].

В качестве основы, на которую наносится ферромагнетик, служат диски из керамики или алюминиевых сплавов, не чувствительные к изменению температуры. Такой диск, а чаще несколько дисков, укрепленных на одной оси, монтируются с блоком магнитных головок и размещаются в герметически закрытом корпусе. Это способствует надежности эксплуатации всего устройства и позволяет достичь более высоких скоростей вращения, что обеспечивает более быстрый обмен данными с оперативной памятью.

Поскольку каждая магнитная головка работает со «своим» диском, ее можно разместить очень близко к его поверхности (на расстоянии порядка сотых долей микрона), что намного повышает плотность записи.

Последние разработки (метод зонной записи) позволили во внешних зонах секторов размещать больше данных, чем во внутренних – это еще более увеличило емкость жестких дисков. В настоящее время создаются диски с емкостью до нескольких гигабайт на одну пластину.

Благодаря большой емкости и высокой производительности, жесткие диски применяются для хранения постоянно используемой информации: операционных систем и оболочек, систем программирования, пакетов прикладных программ, наиболее необходимых пользователю.

Жесткие диски не предназначены для перемещения информации с компьютера на компьютер. Накопитель на жестких дисках монтируется в системном блоке. Теоретически, он может быть переустановлен на другой компьютер, но этого не делают без особой необходимости.

Магнитные носители, особенно дискеты, требуют осторожного обращения. Главным образом их надо беречь от электрических и магнитных воздействий, которые могут привести к потере данных^[23].

Однако в последнее время широкое распространение приобрели носители с иным физическим принципом записи информации – оптические, или лазерные, диски. Они обладают большой информационной емкостью (обычно 650 Мбайт, но возможно и до 3 Гбайт и более), высокой надежностью хранения и носят название CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory) – это означает, что информация, компактно упакованная на данном диске, доступна только для чтения.

Запись ее производится вне компьютера в лабораторных условиях. На поверхность диска лазерным лучом большой мощности наносится дорожка с микроскопическими впадинами. Их разделяют плоские участки, которые отражают свет, впадины же его поглощают. Чередование отражающих и поглощающих участков кодирует информацию, записанную в двоичном виде.

---

Первичный мастер-диск, на который требуемая информация записывается непосредственно под воздействием лазера, впоследствии тиражируется прессованием. Копии состоят из поликарбонатной основы с отражающим слоем из тонко напыленного алюминия, покрытым защитной пленкой.

Считывание происходит под воздействием лазерного луча значительно меньшей мощности, которым оборудуется CD-дисковод персонального компьютера. Светочувствительный элемент фиксирует луч, отраженный от плоского участка (считывается единица), луч, попавший во впадину, рассеивается и не попадает на элемент (считывается нуль).

Дорожка оптического диска, в отличие от магнитного, непрерывна и имеет форму спирали, поэтому для равномерного считывания диск вращается с переменной угловой скоростью: считывание с внешних участков происходит при большем числе оборотов в минуту, нежели с внутренних.

Скорость считывания для оптических дисков меньше, чем для жесткого магнитного диска, поэтому информацию, используемую достаточно часто, удобнее переписать с CD-ROM на винчестер.

CD-ROM удобно использовать для хранения информации, объединяющей видеоизображение, звук, графику, т.е. мультимедийную информацию, которая характеризуется большими объемами данных.

CD-ROM – дисководы, как правило, встраиваются в корпус системного блока, но выпускаются дисководы, являющиеся самостоятельными внешними устройствами. С их помощью может быть произведена однократная перезапись оптического диска – CD-R (CD-recordable) или даже многократная CD-E(CD-erasable) перезапись. Последние еще не стали массово доступными и пока допускают всего несколько перезаписей. При этом запись производится под защитным слоем.

Оптические диски имеют большой резерв повышения информационной емкости. Для этого есть несколько путей: уменьшение длины волны лазерного луча, создание двухслойной записи, выполненной на разной глубине.

Совершенствование внешних носителей информации идет разными путями. Один из них – соединение достоинств магнитной и оптической технологий. С одной стороны, высокая информационная емкость и надежность оптических дисков, с другой – возможность записи и быстрого считывания, характерная для магнитных дисков – такими качествами обладают магнитооптические диски, которые к тому же можно отдельно хранить и переносить с компьютера на компьютер^[24].

2.3. Процессор

---

В соответствии с принципами архитектуры ЭВМ Джона фон Неймана единственным источником активности в ЭВМ является процессор, который, в свою очередь, управляется программой, находящейся в памяти ЭВМ.

Процессор – это центральное устройство ЭВМ, которое выполняет две основные функции:

• обработку информации (выполнение операций над данными);
• управление работой компьютера в соответствии с программой.

За реализацию этих функций в составе процессора отвечают арифметико-логическое устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ).

В состав процессора входит также собственная процессорная память, ячейки которой называются регистрами. Разрядность такого регистра – не менее машинного слова. Регистры предназначены для временного хранения информации, обрабатываемой процессором (например, промежуточных результатов). В регистры записывается информация, поступившая из оперативной памяти или, наоборот, предназначенная для передачи в оперативную память.

В регистрах хранятся данные и результаты, выполняемые процессором команды и некоторая другая информация. Среди них выделяют регистры общего назначения, где хранится любая информация, и специализированные регистры, выполняющие определенную функцию. Примером специализированного регистра может служить счетчик команд, роль которого будет рассмотрена позднее.

Обработка информации происходит только в регистрах процессора.

Информацию в процессор можно внести из любой ячейки памяти или внешнего устройства или, наоборот, направить в любую ячейку памяти или на внешнее устройство.

Для выполнения арифметических и логических операций над данными, т.е. для обработки информации предназначено арифметико-логическое устройство.

Команды машинной программы располагаются в ячейках памяти последовательно, друг за другом; так же последовательно они и выполняются. Чтобы обеспечить автоматический переход от исполнения одной команды к исполнению следующей, используется специальный регистр собственной памяти процессора – счетчик команд (СК). В нем находится адрес ячейки, хранящей команду, которую надо выполнять следующей.

В каждый момент процессор выполняет одну команду программы, адрес которой хранится в специальном регистре собственной памяти процессора – счетчике команд^[25].

Действия процессора по выполнению каждой отдельной команды (основной алгоритм его работы) таковы:

• читать адрес из счетчика команд;
• читать слово (содержащее команду) по этому адресу;
• увеличить счетчик команд;
• выполнить команду, записанную в прочитанном слове.

---

Однако таким образом можно исполнять автоматически только линейные алгоритмы. Для реализации циклов и ветвлений используются специальные команды процессора, исполнение которых определенным образом меняет содержимое счетчика команд: увеличивает или уменьшает его на величину, кратную длине машинного слова, т.е. происходит переход к исполнению команды не из той ячейки, что расположена непосредственно вслед за текущей, а из ячейки, адрес которой был вычислен и находится теперь в счетчике команд. К таким командам, меняющим порядок исполнения команд программы, относятся, например, команды передачи управления.

Так достигается автоматизация действий процессора в соответствии с заданной программой. Если программа задана и не содержит ошибок, ее исполнение уже не требует вмешательства человека.

Процессор исполняет программу команда за командой в соответствии с изменением содержимого счетчика команд и расположением команд в памяти, пока не получит команду остановиться^[26].

Таким образом, все самые сложные действия компьютера сводятся к исполнению процессором сравнительно небольшого набора элементарных команд, и вся работа компьютера должна быть регламентирована программами. Первоначально все самые необходимые программы загружаются в оперативную память (ОЗУ), но даже этот процесс выполняется в соответствии с программой начальной загрузки, которая хранится в постоянном запоминающем устройстве (информация там хранится при выключенном компьютере). При включении компьютера в счетчике команд автоматически появляется так называемый стартовый адрес, по которому процессор обращается к определенной ячейке ПЗУ за своей первой командой – далее процесс происходит автоматически.

Процессоры современных ПК представляют собой сверхбольшую интегральную схему (СБИС), которая создается на одном или нескольких полупроводниковых кристаллах путем применения сложной микроэлектронной технологии. Такая схема называется микропроцессором.

Микропроцессоры обладают следующими преимуществами:

• высокая надежность;
• малое потребление энергии;
• малые габариты;
• при массовом производстве и единой технологии микропроцессоры просты в изготовлении и недороги^[27].

Среди основных характеристик процессора выделим тактовую частоту, разрядность и адресное пространство.

• Тактовая частота.

Ритм работы процессора задается микросхемой, которая называется генератором тактовых импульсов. Он вырабатывает последовательность электрических импульсов. Такт – это промежуток времени между соседними импульсами (от начала текущего импульса до начала следующего). Каждая операция в компьютере выполняется за определенное число тактов. Чем больше тактов выполняется в единицу времени, тем выше скорость работы компьютера. Таким образом, тактовая частота – количество тактов в секунду – является одной из важнейших характеристик процессора. Тактовая частота современных ПК составляет 100-130 Мгц (миллионов тактов в секунду).

---