Организация памяти в компьютере
Все виды памяти в компьютере можно классифицировать как внутреннюю,специальную и внешнюю.
В состав внутренней памяти, которая физически расположена внутри системного блока входят:
– регистры процесора, предназначенные для хранения тех данных, с которыми компьютер работает в данный момент
– оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) является энергозависимым и хранит ту информацию, с которой компьютер работает непосредственно в данное время. Это, например, может быть исполняемая программа, часть необходимых для нее данных, некоторые управляющие программы.
– сверхоперативная память (кэш). Кэш – это раздел высокоскоростной памяти со временем доступа, сравнимым со временем доступа к регистрам центрального процессора. Часто кэш непосредственно входит в состав ЦП. Кэш-памятью управляет специальное устройство - контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды понадобятся в ближайшее время процессору. В этом случае обмен данными будет осуществляться не между регистрами и основной памятью, а между регистрами и кэшем. Затем, в подходящий момент, все выполненные изменения одновременно передаются в основную память компьютера.
К устройствам специальной памяти относятся постоянная память, перепрограммируемая постоянная память, видеопамять и др.
– Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, англ.ROM) – энергонезависимая память. Содержание памяти зашивается при ее изготовлении и никогда не потребует изменения. В ней находится программа запуска и остановки компьютера. Важнейшей микросхемой является модуль BIOS-совокупность программ, предназначеных для автоматического тестирования и управления разными устройствами после включения питания и загрузки операционной системы в оперативную память.
– Перепрограммируемая постоянная память – энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись.
Разновидность постоянного запоминающего устройства CMOS RAM – память с невысоким быстродействием и минимальным потреблением энергии от батарейки. Содержит информацию о конфигурации компьютера и режиме его работы. Содержимое этой памяти изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS.
Информацию о видеопамяти можно найти в части описания монитора.
Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения данных и сохраняет их и при выключении компьютера. ВЗУ не имеют прямой связи с процессором.
Наиболее распространены следующие типы ВЗУ:
а) накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД)
б) накопители на гибких магнитных дисках (НГМД)
в) накопители на оптических дисках (НОД)
г) накопители на магнитных лентах (НМЛ, стример)
д) флеш-накопители.
Жесткий диск (англ. HDD) – основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных. На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Таким образом, этот «диск» имеет не две поверхности, а 2*п поверхностей, где п –число дисков в группе. Их рабочие поверхности разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки на секторы. Над каждой поверхностью располагается головка, предназначенная для чтения/записи данных. Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратно-логическое устройство – контроллер жесткого диска.
К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность.
Жесткие диски имеют очень большую емкость от 10 до 100 Гбайт. Скорость чтения/записи порядка 1 Мбайта/с. Кроме скорости передачи данных с производительностью диска напрямую связан параметр среднего времени доступа. Он определяет интервал времени, необходимый для поиска нужных данных, и зависит от скорости вращения диска. Для дисков, вращающихся с частотой 5400 об/мин, среднее время доступа составляет 9-10 мкс, для дисков с частотой 7200 об/мин – 7-8 мкс. Жесткий диск,однако, не предназначен для транспортировки информации.
Гибкий магнитный диск (англ. Floppy disk)использовался для многократной записи и хранения данных и представлял собой помещённый в защитный пластиковый корпус диск, покрытый ферримагнитным слоем.
Информация на такой диск наносится вдоль концентрических окружностей - дорожек. Каждая дорожка разбита на несколько секторов (обычно 9 или 18), что является минимально адресуемым участком. Стандартная емкость сектора – 512 байт. На двухсторонней дискете две одинаковые дорожки по обе стороны диска образуют цилиндр. Процедура разметки нового диска – нанесение секторов и дорожек – называется форматированием.
Тип дискеты обычно указывается на ее конверте:
DS (double side) - двухсторонняя;
DD (double density) - двойной плотности;
HD (high density) - высокой плотности.
Возможны сочетания типа DS/DD, DS/HD и др.
Дискеты имели функцию защиты от записи, посредством которой можно было предоставить доступ к данным только в режиме чтения. Дискеты были массово распространены с 1970-х и до конца 1990-х годов и уступили место более ёмким и удобным компакт-дискам и флэш-носителям.
Оптический диск – собирательное название для носителей информации, выполненных в виде дисков, чтение с которых ведётся с помощью оптического излучения. Существует несколько разновидностей оптических дисков:
а) запись на компакт-диск только для чтения ( англ. CD-ROM) производится один раз при его создании и не может быть изменена. Диск представляет собой прозрачную поликарбонатную пластинку, одна сторона которой покрыта тончайшей алюминиевой пленкой, поверх которой нанесен защитный слой лака. Информация на ней представляется чередованием углублений и пиков в цифровом коде. Информация наносится вдоль спиральной дорожки. На каждом дюйме (2.5 см) по радиусу размещается 16 тыс. витков. Емкость CD достигает 780 Мбайт. Считывание информации осуществляется путем сканирования дорожек лазерным лучом, который по-разному отражается от углублений и пиков.
б)компакт-диск, допускающий хотя бы однократную запись информации на рабочем месте пользователя (англ.CD-R) является разновидностью компакт-диска. Обычный CD-R представляет собой тонкий диск из прозрачного пластика. Ёмкость стандартного CD-R составляет на данный момент 702 Мбайт данных. Он имеет спиральную дорожку для направления луча лазера при записи и считывании информации.
в) при создании дисков, позволяющих вести многократную перезапись, доминирует магнито-оптический принцип (англ. CD-МО). В основу положен следующий физический принцип: коэффициент отражения лазерного луча от по-разному намагниченных участков диска различен. Таким образом, запись на МО-диски магнитная, а считывание – оптическое, т.е. производится лазерным лучом.
Емкость записи и скорость доступа к информации у компакт-дисков того же порядка, что у жестких дисков. По надежности хранения информации оптические диски в настоящее время не имеют себе равных.
На персональных компьютерах иногда используют специальный кассетный накопитель, размеры которого совпадают с размерами НГМД и который можно вставить на место последнего – так называемый стример. Он удобен, например, для переноса информации с жесткого диска одного компьютера на другой, долговременного хранения особо ценных системных и личных программ и данных.
Флеш-накопитель это съёмное и перезаписываемое устройство, компактен, имеет малый вес и прост в использовании. Накопитель имеет как различные показатели скорости записи и чтения, так и объемы памяти которые достигает 256 Гб. Основное назначение флеш-накопителей – хранение, перенос и обмен данными, резервное копирование и др.
Контроллер. Процессор, руководящий работой внешних устройств, значительную часть времени был бы вынужден простаивать в ожиданииинформации «извнешнего мира», что существенно снижало бы эффективность работы всей ЭВМ в целом. Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче их специальным электронным схемам управления работой внешних устройств. Эти функции выполняет контроллер. Его можно рассматривать как специализированный процессор, управляющий работой «вверенного ему» внешнего устройства по специальным встроенным программам обмена. Такой процессор имеет собственную систему команд. Например, контроллер накопителя на гибких магнитных дисках (дисковода) умеет позиционировать головку на нужную дорожку диска, читать или записывать сектор, форматировать дорожку и т.п. Результаты выполнения каждой операции заносятся во внутренние регистры памяти контроллера и могут быть в дальнейшем прочитаны центральным процессором.
Поскольку процессор теперь перестал быть центром конструкции, стало возможным реализовывать прямые связи между устройствами ЭВМ. На практике чаще всего используют передачу данных из внешних устройств в ОЗУ и наоборот. Режим, при котором внешнее устройство обменивается непосредственно с ОЗУ без участия центрального процессора, называется прямым доступом к памяти (ПДП). Для его реализации необходим специальный контроллер.
Устройства вывода данных.К ним можно отнестимонитор, принтер, графопостроитель и др.
Монитор– устройство визуального представления данных. Его основными параметрами являются: тип, размер и шаг маски экрана, максимальная частота регенерации изображения.
Уходящими в прошлое являютсямониторы на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Внутренняя поверхность трубки покрыта люминофором, способным излучать свет при попадании на него быстрых электронов. Люминофор наносится в виде наборов из 3-х точек: красной, зеленой и синей. Они располагаются по вершинам треугольника. Так как расстояние между ними мало, глаз человека воспринимает этот набор как одну точку определенного цвета, которая называется пикселем. На противоположной стороне трубки расположены три электронные пушки по количеству основных цветов. Каждая пушка нацелена на точку своего цвета. Перед экраном помещается тонкая металлическая пластина с большим количеством отверстий, так чтобы пучки попадали в точки своего цвета. Электронные пучки пробегают все пиксели строчка за строчкой. Количество отображенных строк в секунду называется строчной частотой, а частота с которой меняются кадры изображения – кадровой частотой.
Сейчас наиболее распространены плоские жидкокристаллические (ЖК) мониторы.
Жидкокристаллические мониторы используют тонкую пленку из жидких кристаллов, помещенную между двумя стеклянными пластинами. Для получения точечного изображения используется экран, разделенный на независимые ячейки. Количество таких ячеек по ширине и высоте экрана называется разрешением экрана. Размер монитораизмеряется между противоположными углами видимой части экрана по диагонали. Единица измерения – дюймы. Стандартные размеры: 14";15"; 17"; 19"; 20"; 21".
Для получения на экране монитора стабильной картинки ее надо где-то хранить. Для этого и существует видеопамять. Сначала содержимое видеопамяти формируется компьютером, а затем контроллер дисплея выводит изображение на экран. Объем видеопамяти существенно зависит от характера информации – текстовая или графическая – и от числа цветов изображения. Конструктивно она может быть выполнена как обычное ОЗУ или содержаться непосредственно в контроллере дисплея.
В качестве устройств вывода данных, дополнительных к монитору, используют печатающие устройства – принтеры, позволяющие получать копии документов на бумаге. По принципу действия различают матричные, лазерные и струйные принтеры.
Матричные принтеры – это простейшие печатающие устройства. Данные выводятся на бумагу в виде оттиска, образующегося при ударе иголок через красящую ленту. В настоящее время матричные принтеры считаются устаревшими и практически не выпускаются.
Лазерные принтеры обеспечивают высокое качество печати, сравнимое с полиграфическим. Уже модели среднего класса обеспечивают разрешение печати до 600 dpi(англ.dots per inch) – количество точек на линейный дюйм, а профессиональные модели – до 1800 dpi и выше. Они отличаются высокой скоростью печати, которая измеряется в страницах в минуту (англ.ррт – page per minute). Как и в матричных принтерах, итоговое изображение формируется из отдельных точек.
В струйных печатающих устройствах изображение на бумаге формируется из пятен, образующихся при попадании капель красителя на бумагу. Положительными свойствами струйных печатающих устройств являются относительно небольшое количество движущихся механических частей и, соответственно, простота и надежность механической части устройства и его относительно низкая стоимость. Основным недостатком, по сравнению с лазерными принтерами, является нестабильность получаемого разрешения, что ограничивает возможность их применения в черно-белой и полутоновой печати. Сегодня струйные принтеры нашли очень широкое применение в цветной печати. Благодаря простоте конструкции они намного превосходят цветные лазерные принтеры по показателю качество/цена.
Кустройствам вводаотносятсяклавиатура, мышь, сканер и др. Клавиатура является основным устройством ввода данных. По методу подключения к системному блоку различают проводные и беспроводные клавиатуры. Передача информации в беспроводных системах осуществляется инфракрасным лучом. Обычный радиус действия таких клавиатур составляет несколько метров.
Мышь– устройство управления манипуляторного типа. Комбинация монитора и мыши обеспечивает наиболее современный тип интерфейса пользователя, который называется графическим.
Для ввода графической информации используют сканеры.
Под архитектурой ЭВМ понимают основные устройства и блоки ЭВМ, а также структуру связей между ними. Следующие принципы построения ЭВМ относятся к понятию архитектура:
• структура памяти ЭВМ;
• способы доступа к памяти и внешним устройствам;
• возможность изменения конфигурации компьютера;
• система команд;
• форматы данных;
• организация интерфейса.
Суммируя все вышеизложенное, можно дать следующее определение архитектуры.
Архитектура – это наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие
программное управление работой и взаимодействием основных ее функциональных
узлов. Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. В основу фон-неймановской архитектуры положены следующие принципы:
а) принцип программного управления заключается в том, что программа состоит из набора команд;
б) однородность памяти подразумевает хранение данных и программ в одной и той же памяти;
в) адресность заключается в том, что основная память состоит из перенумерованных ячеек.
Наиболее распространены следующие архитектурные решения.
1. Классическая архитектура или архитектура фон Неймана – одно арифметико-логическое устройство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд – программа. Это однопроцессорный компьютер. Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной.
2. Многопроцессорная архитектура предполагает наличие в компьютере нескольких процессоров. Это означает, что параллельно может быть организовано много потоков данных и много потоков команд, т.е. параллельно могут выполняться и несколько фрагментов одной задачи. Структурная схема такой машины, имеющей общую оперативную память и несколько процессоров, представлена на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Архитектура многопроцессорного компьютера
3. При архитектуре с параллельными процессорами несколько АЛУ работают под управлением одного УУ. Это означает, что множество данных может обрабатываться по одной программе – то есть по одному потоку команд. Высокое быстродействие такой архитектуры можно получить только на задачах, в которых одинаковые вычислительные операции выполняются одновременно на различных однотипных наборах данных. Структурная схема таких компьютеров представлена на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Архитектура с параллельным процессором
4. Многомашинная вычислительная система состоит из нескольких процессоров, входящих в вычислительную систему, не имеющих общей оперативной памяти. Каждый имеет свою локальную. Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко. Однако эффект от применения такой вычислительной системы может быть получен только при решении задач, имеющих очень специальную структуру: она должна разбиваться на столько слабо связанных подзадач, сколько компьютеров в системе.
Завершая обсуждение особенностей внутренней структуры современных ЭВМ, укажем несколько характерных тенденций в ее развитии. Во-первых, постоянно расширяется и совершенствуется набор внешних устройств, что приводит, как описывалось выше, к усложнению системы связей между узлами ЭВМ. Во-вторых, вычислительные машины перестают быть однопроцессорными. Помимо центрального, в компьютере могут быть специализированные процессоры для вычисления с плавающей точкой (так называемые математические сопроцессоры), видеопроцессоры для ускорения вывода информации на экран дисплея и т.п. Развитие методов параллельных вычислений также вызывает к жизни вычислительные системы достаточно сложной структуры, в которых одна операция выполняется сразу несколькими процессорами. В-третьих, наметившееся стремление иметь быстродействующие машины не только для вычислений, но и для логического анализа информации, также может привести в ближайшиегоды к серьезному пересмотру традиционной фон-неймановской архитектуры.
Вопросы
1. Из каких основных узлов состоит ЭВМ?
2. Что такое счетчик команд и какую роль он играет?
3. Что такое магистраль (шина)?
4. Какие преимущества имеет магистральная структура ЭВМ?
5. Что представляет собой контроллер внешнего устройстваи какую роль он играет в процессе обмена информацией?
6. Какую роль играет в компьютере видеопамять?
7. Оцените необходимый объем видеопамяти для следующихрежимов:
а) текстовый режим (24 строки по 80 символов);
б) графический черно-белый режим при размере экрана 640х200 точек;
в) 16- цветный режим при том же размере экрана.
8. Что такое режим прямого доступа к памяти?
9. Объясните, в чем состоит принцип программной совместимости
10. Что такое архитектура ЭВМ? Сформулируйте определение и расшифруйте его.
11. Перечислите основные принципы фон-неимановской архитектуры и разъясните их содержание.
12. Чем обусловлено в ЭВМ широкое применение двоичной системы?
13. Можно ли, посмотрев на содержимое отдельно взятой ячейки памяти, определить, какая информация в ней записана: число, команда, символы?
14. Опишите основные этапы выполнения машинной команды. Особое внимание
обратите на роль счетчика команд.
15. Какие основные операции входят в состав системы команд любой ЭВМ?
Кратко охарактеризуйте каждою из названных групп.
16. Объясните, почему возможно создать компьютер с уменьшенным (неполным)
набором команд и что это дает.
17. Из каких частей состоит команда ЭВМ? Кратко охарактеризуйте их назначение.
18. Чем различаются одно-, двух- и трехадресные команды?
19. Как Вы думаете, какая последовательность действий должна быть выполнена машиной для перемещения содержимого одной ячейки основной памяти в другую?
20. Какую информацию должен представить центральный процессор в электронные схемы основной памяти для сохранения числа в одной из ее ячеек?
21. Как Вы считаете, команда "Если 0 равен 0, то перейдите к этапу 7" является условным или безусловным переходом? Поясните Ваш ответ.
22.500 Мбайт свободной памяти, принимает данные по телефонной линии связи со скоростью 14 400 бит/с. Сколько времени ей понадобится, чтобы заполнить данными все свободное место на жестком диске?
23. Предположим, что линия связи используется для последовательной передачи данных со скоростью 14 400 бит/с. Сколько битов данных будет искажено, если возникнет радиопомеха общей длительностью 0,01 секунды?
24. Кратко опишите основные отличия между CISC- и RISC-архитектурами.