Файл: ПЕРЕФЕРИЙНЫЕ УСТРОЙСТВА.pdf

ВВEДЕНИЕ

Цель этой курсовой – изучение и понимание архитектуры современного персонального компьютера и его функций. Персональный компьютер - это настольный или переносная(ноутбук, макбук и т.д.) машина, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.

Компьютер в общем представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать мультимедийные, физические данные и производить вычисления, счеты, запросы, а также выполнять другие задачи манипулирования символами. Это многофункциональное электронное устройство для накопления, обработки и передачи информации.

Архитектор, проектируя здание, обязан не только позаботиться о его красоте и форме, но и представить подробный план здания, предусмотреть надежность, безопасность, удобство его эксплуатации и использование эффективных технологий. Таким образом он решает вопросы взаимодействия проектируемого здания с окружающей средой, с людьми, для которых здание строится.

И это можно сказать и об архитектуре компьютера, которая связана с набором качеств, влияющих на ее взаимодействие с пользователем. Под архитектурой компьютера понимается его логическая организация, структура, совокупность его свойств и характеристик, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре, модернизации и функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и дополнительные.

Одним из весомых достоинств современных компьютеров является гибкость архитектуры, обеспечивающая ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования и в быту.

АРХИТЕКТУРА СОВРЕМЕННОГО ПК

При описании архитектуры компьютера определяется состав входящих в него компонент, принципы их взаимодействия, а также их функции и характеристики.

Рис. 1 Архитектура персонального компьютера

ПАМЯТЬ

Память - слот для хранения информации в виде данных и программ. Память делится прежде всего на внутреннюю (расположенную на системной плате, т.е. на внутренних накопителях) и внешнюю (размещенную на разнообразных внешних носителях информации, т.е. на флешках и съемных носителях).

Рис. 3 Структура памяти

Внутренняя память в свою очередь подразделяется на:

Постоянное запоминающее устройство ПЗУ - которое содержит постоянную информацию, сохраняемую даже при отключенном питании, которая служит для тестирования памяти и оборудования компьютера, начальной загрузки ПК при включении. Запись на специальную кассету ПЗУ происходит на заводе фирмы-изготовителя ПК и несет черты его индивидуальности. Объем ПЗУ относительно невелик - от 64 до 256 Кб.

В постоянную память часто записывают микропрограмму управления устройством: телевизором,  сотовым телефоном, различными контроллерами, или компьютером - БИОС.

Оперативная память ОЗУ - часть системы компьютерной памяти, в которой во время работы компьютера хранится выполняемый машинный код, а также входные, выходные и промежуточные данные, обрабатываемые процессором.

Обмен данными между процессором и оперативной памятью производится:

• непосредственно;
• через сверхбыструю память 0-го уровня — регистры, либо при наличии аппаратного кэша процессора — через кэш.

Имеющиеся в современной оперативной памяти данные доступны и сохраняются только тогда, когда на эти модули памяти подаётся напряжение. Выключение питания оперативной памяти, даже кратковременное, приводит к искажению либо полному разрушению хранимой информации и даже её утере.

Энергосберегающие режимы работы материнской платы компьютера позволяют переводить его в режим сна, что значительно сокращает уровень потребления компьютером электроэнергии. В режиме сна питание ОЗУ отключается. В этом случае для сохранения содержимого ОЗУ операционная система перед отключением питания записывает содержимое ОЗУ на жесткий диск.

В этом всем, ОЗУ содержит все программы и данные операционной системы, и запущенные прикладные программы пользователя и данные этих программ, поэтому от объёма оперативной памяти зависит количество задач, которые одновременно может выполнять компьютер под управлением ОС.

Оперативное запоминающее устройство - техническое устройство, реализующее функции оперативной памяти.

ОЗУ может изготавливаться как отдельный, внешний модуль(планки памяти) или располагаться на одном кристалле с процессором(встроенная и используется реже, чем внешняя), например, в однокристальных ЭВМ или однокристальных микроконтроллерах.

Кэш-память - буфер с быстрым доступом, содержащий информацию, которая может быть запрошена с наибольшей вероятностью. Доступ к данным в кэше осуществляется быстрее, чем выборка исходных данных из более медленной памяти или удаленного источника, однако её объём существенно ограничен по сравнению с хранилищем исходных данных. В основном это информация, которую мы откуда-либо копируем. Кэш — это па мять с большей скоростью доступа, предназначенная для ускорения обращения к данным, содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа.

Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных, которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор, часто называемый тегом, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти.

Когда клиент кэша обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Если в кэше не найдена запись, содержащая затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становится доступным для последующих обращений.

При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи.

В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти.

В кэше с отложенной записью (или обратной записью) обновление происходит в случае вытеснения элемента данных, периодически или по запросу клиента. Для отслеживания модифицированных элементов данных записи кэша хранят признак модификации (изменённый или «грязный»). Промах в кэше с отложенной записью может потребовать два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых данных из кэша, второе для чтения необходимого элемента данных.

В случае, если данные в основной памяти могут быть изменены независимо от кэша, то запись кэша может стать ненужной. Протоколы взаимодействия между кэшами, которые сохраняют согласованность данных, называют протоколами когерентности кэша.

Внешняя память -  предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. Подразумеваются внешние накопители (Флешки, внешние харды, дискеты).   Внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация циркулирует. Накопители на магнитной ленте исторически появились раньше, чем накопители на магнитном диске. Ленточные накопители называются стримерами, они предназначены для создания резервных копий программ и документов, представляющих ценность. Запись может производиться на обычную видеокассету или на специальную кассету. Емкость такой кассеты до 1700 Мб, длина ленты 120 м, ширина 3.81 мм (2 - 4 дорожки). Скорость считывания информации-до 100 Кб/сек.

Диски относятся к носителям информации с прямым доступом, т.е. ПК может обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию, непосредственно.

Магнитные диски - в запоминающей среде используются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие двоичные цифры — 0 и 1. Информация на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей - дорожек. Каждая дорожка разбита на сектора (1 сектор = 512 б). Обмен между дисками и ОП происходит целым числом секторов. Кластер — минимальная единица размещения информации на диске, он может содержать один и более смежных секторов дорожки. При записи и чтении МД вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к выбранной для записи или чтения дорожке.

Данные на дисках хранятся в файлах — именованных областях внешней памяти, выделенных для хранения массива данных. Кластеры, выделяемые файлу, могут находиться в любом свободном месте дисковой памяти и необязательно являются смежными. Вся информация о том, где именно записаны кусочки файла, хранится в таблице размещения файлов FAT (file allocation table). Для пакетов МД (это диски, установленные на одной оси) и для двусторонних дисков вводится понятие цилиндр - совокупность дорожек МД, находящихся на одинаковом расстоянии от центра.

На ГМД магнитный слой наносится на гибкую основу. Диаметр ГМД: 5,25" и 3,5". Емкость ГМД от 180 Кб до 2,88 Мб. Число дорожек на одной поверхности - 80. Скорость вращения от 3000 до 7200 об/мин. Среднее время доступа 65 - 100 мс.

Каждая новая дискета перед работой должна быть отформатирована, т.е. создана структура записи информации на ее поверхности: разметка дорожек, секторов, записи маркеров, таблицы FAT. Дискеты нужно хранить аккуратно, беречь от пыли, механических повреждений, воздействия магнитных полей, растворителей. Это основной недостаток этого вида накопителей.

НЖМД или «винчестеры» изготовлены из сплавов алюминия или из керамики и покрыты ферролаком, вместе с блоком магнитных головок помещены в герметически закрытый корпус. Емкость накопителей за счет чрезвычайно плотной записи достигает нескольких гигабайт, быстродействие также выше, чем у съемных дисков (за счет увеличения скорости вращения, т.к. диск жестко закреплен на оси вращения). Первая модель появилась на фирме IBM в 1973 г. Она имела емкость 16 Кб и 30 дорожек/30 секторов, что случайно совпало с калибром популярного ружья 30'730" «винчестер».

Каждым ЖМД проходит процедуру  низкоуровневого форматирования — на носитель записывается служебная информация, которая определяет разметку цилиндров диска на сектора и нумерует их, маркируются дефектные сектора для исключения их из процесса эксплуатации диска. В ПК имеется один или два накопителя. Один ЖД можно разбить при помощи специальной программы на несколько логических дисков и работать с ними как с разными ЖД.

Дисковые массивы RAID - то дисковый массив из нескольких устройств, - жестких дисков. Этот массив служит для повышения надёжности хранения данных и/или для повышения скорости чтения/записи информации.

Связка из дисков, т.е  ускорением работы или повышением безопасности данных, - зависит от Вас, а точнее, от выбора текущей конфигурации рейда. Разные типы этих конфигураций как раз и отмечаются разными номерами: 1, 2, 3, 4 и, соответственно, выполняют разные функции.

Рейды ощутимо удобнее и эффективнее использования одного диска в системе. Я бы даже рекомендовал их всем поголовно, не смотря на то, что приходится использовать два устройства вместо одного.

Просто, например, в случае построения 0-вой Вы получите ощутимый прирост производительности.

МИКРОПРОЦЕССОР

Основная часть системной платы — микропроцессор, он управляет работой всех узлов компьютера и программой, описывающей алгоритм решаемой задачи. процессор имеет сложную структуру в виде электронных логических схем.

Рис. 2 Микропроцессор

В качестве его компонентов можно выделить:

1. Арифметико-логическое    устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над данными и адресами памяти;

2.    Регистры   — сверхоперативная память, работающая со скоростью процессора;

3. Устройство управления - управление работой всех узлов процессора посредством выработки и передачи другим его компонентам управляющих импульсов, поступающих от кварцевого тактового генератора, который при включении ПК начинает вибрировать с постоянной частотой (у каждого процессора своя частота, в основном новое поколение превосходит предыдущее). Эти колебания и задают темп работы всей системной платы;

4. Система прерываний - регистр, описывающий состояние процессора, позволяющий прерывать работу процессора в любой момент времени для немедленной обработки некоторого поступившего запроса, или постановки его в очередь, а после обработки запроса обеспечивает восстановление прерванного процесса;