Магистрально-модульный принцип построения компьютера

В основу архитектуры современных персональ­ных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет по­требителю самому комплектовать нужную ему кон­фигурацию компьютера и производить при необхо­димости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между модулями.

Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, адаптеров устройств, а на программном уровне обеспечивается загрузкой в оперативную память драйверов устройств.

Контроллер (адаптер) – устройство, которое связывает периферическое оборудование и каналы связи с центральным процессором, освобождая его от непосредственного управления функционированием данного оборудования. Т.е. контроллер – это специализированный процессор.

Схема работы.

1. Центральный процессор при необходимости обмена с внешним устройством выдает задание на его осуществление контроллеру.

2. Контроллер создает канал связи между ОЗУ и внешним Устройством

Дальнейшая передача идет под управлением контроллера без использования центрального процессора

Н а рисунке 11 представлен магистрально-модульный принцип построения компьютера.

Рисунок 11 магистрально–модульное представление компьютера

Разрядность шины данных связана с разрядностью процессора (имеются 8-,

16-, 32-, 64-разрядные процессоры).

Основные режимы работы процессора с использованием шины данных:

• запись/чтение данных из оперативной памяти,

• запись/чтение данных из внешней памяти,

• чтение данных с устройства ввода,

• пересылка данных на устройство вывода.

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для оперативной памяти код адреса ячейки памяти.

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой процессором памяти.

Шина адреса является однонаправленной (Сигналы по адресной шине передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам).

Имеются 16-, 20-, 24-, 32-, 36- и 64- разрядные шины адреса.

• Разрядность шины адреса постоянно увеличивалась и в процессоре Pentium Extreme Edition (2006 год) составляет 64 бита. Количество адресуемых ячеек памяти в таких процессорах равно N=2 ⁶⁴ ячеек.

• Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой оперативной памяти.

• Каждая ячейка памяти имеет объем 8 бит, т.е. 1 байт.

• Максимальный объем памяти при 64- битной шине адреса равен 2^64= 16 777 216 Тбайт= 16 384 Пбайт = 16 Эбайт

• Величина адресного пространства процессора и величина фактически установленной оперативной памяти практически всегда различаются.

• В компьютерах с 32-разрядной шиной адреса величина адресуемой памяти составляет 4 Гб, а величина фактически установленной оперативной памяти может быть меньше.

Шина управления

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления определяют, какую операцию – считывания или запись (ввод/вывод) информации из памяти нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и т.д.

Для выполнения каждой вычислительной команды программы УУ осуществляет следующую последовательность действий:

• определяет адрес (место в памяти) очередной команды;

• вызывает из памяти её операнды и пересылает их в АЛУ;

• настраивает АЛУ на выполнение нужной операции;

• пересылает полученный результат по адресу, указанному в команде

Помимо вычислительных операций УУ выполняет и другие команды: пересылки информации из одних мест памяти в другие, а также ввода и вывода информации

Функции памяти:

• приём информации из других устройств;

• запоминание информации;

• выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Функции процессора:

• обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;

• программное управление работой устройств компьютера.

Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ).

Микропроцессор ПК является главной частью компьютера, непосредственно осуществляющей процесс обработки данных и управляющей работой его компонентов.

Процессор – центральное устройство компьютера выполняющее команды программ и управляющее работой остальных устройств . Процессор представляет собой сверх малую интегральную микросхему. Процессор вставляется в разъем Slot на материнской плате. Процессор состоит из АЛУ и УУ.

Компьютер может иметь математический сопроцессор для ускорения работы с десятичными дробями.

Процессор характеризуется :

• разрядностью и тактовой частотой.

• Разрядность – количество бит информации, одновременно обрабатываемой процессором. Сейчас используются 64 и 32 разрядные процессоры.

• Тактовая частота (в настоящее время меньше 4 ГГц ~ 2-3 ГГц).

• Такт – это время необходимое для 1- ой элементарной операции. Тактовая частота измеряется в Gzh.

Внутренние запоминающие устройства по своему назначению подразделяются на несколько категорий: оперативные (ОЗУ), сверхоперативные (СОЗУ) и постоянные (ПЗУ)

К числу устройств категории ОЗУ относятся:

• оперативная память ПК, которая может подразделяться на основную, дополнительную и расширенную в зависимости от способа адресации и метода доступа к соответствующей ячейке памяти;

• кэш-память, служащую для буферизации информации, поступающей в микропроцессор на дальнейшую обработку, подразделяемую на кэш первого уровня в составе процессора и кэш второго уровня, находящегося вне процессора.

Оперативное запоминающее устройство ОЗУ  - это энергозависимый вид памяти компьютера, предназначеный для хранения информации.

Оперативная память (RAM - Random Access Memory)  изготавливается в виде модулей памяти. Модули памяти представляют собой пластины с рядами контактов, на которых размещаются БИС ( большие интегральные схемы) памяти. 

Модули памяти могут различаться по размеру и количеству контактов, быстродействию, информационной емкости.

Объем (информационная емкость) оперативной памяти зависит от количества разрядов, отведенных под адрес. Объем оперативной памяти увеличивается из поколения в поколение. В современных компьютерах он составляет от 512 Мбайт до 4 Гигабайт.

Важнейшей характеристикой модулей ОЗУ является быстродействие, которое зависит от максимально возможной частоты операций записи или считывания информации из ячеек памяти.

Р абота компьютера с пользовательскими программами начинается после того как данные будут считаны из внешней памяти в ОЗУ. ОЗУ работает синхронно с центральным процессором и имеет малое время доступа. Оперативная память сохраняет данные только при включенном питании. Отключение питания приводит к необратимой потере данных, поэтому пользователю, работающему с большими массивами данных в течение длительного времени, рекомендуют периодически сохранять промежуточные результаты на внешнем носителе.

Кэш-память - очень быстрое запоминающее устройство небольшого объема, которое используется при обмене данными между процессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Кэш-памятью управляет специальный контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память.

Существуют два типа кэш-памяти: внутренняя (от 8 до 64 Кбайт) - размещается внутри процессора и внешняя (от 256 Кбайт до 1 Мбайт) устанавливается на системной плате.

Специальная память

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения.

Содержание памяти специальным образом "зашивается” в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора.

В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой,принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера,тестирования устройств.

• "постоянная" память микросхемы BIOS (Basic Input Output System – базовая система ввода-вывода), служащая для запуска програм операционной системы. В настоящее время микросхемы BIOS оснащаются так называемой флэш-памятью, допускающей изменение содержащихся в ней микрокодов с помощью соответствующего программного обеспечения;

• энергонезависимая CMOS-память (Complementary Metal-Oxid Semi-conductors – комплиментарные пары транзисторов с низким энергопотреблением) в составе микросхемы BIOS, служащая для хранения значений параметров настройки и режимов работы компонентов ПК.

Любой тип устройств категории ОЗУ, СОЗУ и ПЗУ технически исполняется в виде интегральных микросхем памяти или участка памяти в составе микросхемы другого назначения, что и обеспечивает их миниатюрность и высокое быстродействие.

  Важнейшая микросхема перепрограммируемой постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS.

BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) — совокупность программ, предназначенных для: 

• автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера;

• вызова модуля загрузки операционной системы в оперативную память.

C MOS RAM — это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки. Используется для хранения информации о конфигурации и составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы.

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Setup — устанавливать, читается "сетап").

У стройства внешней памяти

Внешняя (вспомогательная) память - это долговременная энергонезависимая память для хранения данных (программ, текстов, расчетов и т.д.).

В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором.  Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:

Реализуется этот вид памяти внешними запоминающими устройствами (материальными носителями информации), расположенными, как правило, в системном блоке или вне его.

Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя  и носителя.

Накопители  - устройства для записи и (или) считывания информации.

Носители - устройства для хранения информации.

Основные виды накопителей:

• накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

• накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

• накопители CD-ROM, CD-RW, DWD.

Им соответствуют основные виды носителей:

• гибкие магнитные диски(Floppy Disk);

• жесткие магнитные диски (Hard Disk);

• диски CD-ROM, CD-R, CD-RW, DWD. 

Основные характеристики накопителей и носителей:

• информационная емкость;

• скорость обмена информацией;

• надежность хранения информации;

• стоимость.

В основу записи, хранения и считывания информации из внешней памяти положены два принципа - магнитный и оптический. Благодаря этим принципам обеспечивается сохранение информации и после выключения компьютера.

Принцип работы магнитных запоминающих устройств

В основе магнитной записи лежит преобразование цифровой информации (в виде 0 и 1) в переменный электрический ток, который сопровождается переменным магнитным полем. В результате поверхность магнитных носителей разделяется на ненамагниченные участки (0) и намагниченные (1).

У компьютеров ранних поколений функции внешней памяти выполняли перфоленты и перфокарты, а также магнитные ленты. Магнитные ленты являются устройствами с последовательным доступом (данные можно читать или записывать только последовательно, при нарушении порядка приходится долго ждать, пока лента будет перемотана в нужное место.

С ейчас в качестве носителей используют магнитные и оптические диски. Эти устройства являются устройствами с произвольным доступом, т.к. любую часть данных позволяют получить за одно и то же время. Магнитные диски бывают гибкие и жесткие.

Гибкий магнитный диск

Floppy Disk Drive (приводы или дисководы флоппи-дисков (гибких дисков))  в качестве носителя информации используют  дискеты - носители небольшого объема информации, которые предназначены для переноса информации с одного компьютера на другой. Устройство дискеты.

Диск находится внутри пластикового конверта, который защищает его от механических повреждений. Для того, чтобы прочитать или записать информацию, неоюходимо вставить дискету в дисковод для гибких магнитных дисков. Дискета автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 об/мин.  В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

Любой магнитный диск первоначально не готов к работе. Для приведения его в рабочее состояние он должен быть отформатирован, т.е. должна быть создана структура диска. При форматировании поверхность диска делится на магнитные концентрические дорожки, разделенные на секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальное количество  информации, которая может быть записана на диск или считана. Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов.

Последние используемые дискеты имели следующие характеристики: диаметр 3,5 дюйма (89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18. В настоящее время почти не используются.

Жесткий магнитный диск

Винчестеры или накопители на жестких дисках – это внешняя память большого объема, предназначенная для долговременного хранения информации, объединяющая в одном корпусе сам носитель информации и устройство записи/чтения.

П о сравнению с дисководами винчестеры обладают рядом очень ценных преимуществ: объем хранимых данных неизмеримо больше (достигает сотни Гбайт ), время доступа у винчестера на порядок меньше.

Единственный недостаток: они не предназначены для обмена информацией (это касается стационарных, т.е. встраиваемых в корпус компьютера винчестеров, в настоящее время существуют сменные винчестеры).

Физические размеры винчестеров стандартизированы параметром, который называют форм-фактором (form factor).

Винчестер состоит из нескольких жестких (чаще алюминиевых) дисков, с нанесенным на поверхность магнитным слоем и расположенных друг под другом. Каждому диску соответствует пара головок записи/чтения. Зазор между головками и. поверхностью дисков составляет 0,00005–0,00001 мм. Скорость вращения дисков в зависимости от модели находится в пределах 3600–7800 об./мин.

При включенном компьютере диски винчестера постоянно крутятся, даже когда нет обращения к винчестеру, таким образом экономится время на его разгон.

Логическая структура жестких дисков отличается от логической структуры гибких дисков. Минимальным адресуемым элементом является кластер, который содержит несколько секторов.

Лазерный диск

CD-ROM ( англ. Compact Disk Real Only Memory - постоянное запоминающее устройство на основе компакт диска.

К омпакт-диск диаметром 120 мм изготовлен из полимера и покрыт металической пленкой. Информация считывается именно с этой металлической пленки, которая покрывается полимером, защищающим данные от повреждения.

Принцип цифровой записи на лазерный диск отличается от принципа магнитной записи.

Закодированная информация наносится на диск лазерным лучом, который создает на поверхности микроскопические впадины, разделяемые плоскими участками. Цифровая информация представляется черелдованием впадин (кодирование нуля) и отражающих свет островков (кодирование единицы).   Информация, нанесенная на диск, не может быть изменена.

Считывание информации с диска происходит за счет регистрации изменений интенсивности отраженного от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Приемник или фотодатчик определяет, отразился ли луч от гладкой поверхности(фиксируется 1), был рассеян или поглощен (фиксируется 0). Рассеивание или поглощение луча происходит в местах,где в процессе записи были нанесены углубления. Фотодатчик воспринимает рассеянный луч, и эта информация в виде электрических сигналов поступает на микропроцессор, который преобразует эти сигналы в двоичные данные или звук.

В отличие от магнитных дисков лазерный диск имеет всего одну физическую дорожку в форме спирали, идущей от наружного диаметра диска к внутреннему.

Емкость CD-ROM достигает 780 Мбайт.

CD-R (Сompact Disk Recorder) - записываемый диск емкостью до 700 Мбайт. 

На дисках CD-R отражающий слой выполнен из золотой пленки. Между этим слоем и основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные впадинам.

CD-RW (Сompact Disk ReWritable) - диск, позволяющий записывать и перезаписывать информацию.

Дисковод CD-RW позволяет записывать и читать диски CD-R и CD-RW, читать диски CD-ROM.

DVD (Digital Versatile Disk) -универсальный цифровой диск.

Имея те же габариты, что обычный компакт-диск, те же разновидности,  и похожий принцип работы, он вмещает от 4,7 до 17 Гбайт информации. В отличие от компакт дисков DVD записываются с обеих сторон, на каждой стороне могут быть нанесены один или два слоя информации. Односторонние однослойные DVD диски имеют объем 4,7 Гбайта, двусторонние двухслойные - 17 Гбайт.

F lash – диски (карты)

Flash-память - это энергонезависимый тип памяти, позволяющий записывать и хранить данные в микросхемах.

Устройства на основе flash-памяти не имеют в своём составе движущихся частей, что обеспечивает высокую сохранность данных при их использовании в мобильных устройствах.

Flash-память представляет собой микросхему, помещенную в миниатюрный корпус. Для записи или считывания информации накопители подключаются к компьютеру через USB-порт. Информационная емкость карт памяти от 256 Мбайт до 64 Гбайт. Устройства для чтения – картридер.

Контрольные вопросы:

1. Поколения ЭВМ.

2. Составные части аналитической машины

3. Понятие архитектуры

4. Принципы фон Неймана.

5. Структура современных ЭВМ. Системная шина.

6. Структурная схема современных ЭВМ.

7. Технические средства реализации информационных процессов

8. Устройства ввода и вывода.

9. Память компьютера: внутренняя и внешняя.

10. Организация внутренней памяти

11. Организация FLASH-память.

12. Назначение ПЗУ.