lek2010

УУ расшифровывает код операции и выдает в АЛУ сигнал выполнить соответствующую операцию над данными;

результат операции либо остается в процессоре, либо отправляется в память, если в команде был указан адрес результата;

все предыдущие этапы повторяются до достижения команды “стоп”.

2.6. Что такое архитектура и структура компьютера?

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства - от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Наиболее распространены следующие архитектурные решения.

Классическая архитектура (архитектура фон Неймана) - одно арифметико-логическое устрой-

ство (АЛУ), через которое проходит поток данных, и одно устройство управления (УУ), через которое проходит поток команд - программа (рис. 2.1). Это однопроцессорный компьютер. К этому типу архитектуры относится и архитектура персонального компьютера с общей шиной, подробно рассмотренная в разделе 2.18 (рис. 2.26). Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры - устройства управления периферийными устройствами.

Контроллер - устройство, которое связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

Многопроцессорная архитектура. Нали-

чие в компьютере нескольких процессоров означает, что па-

раллельно может быть организовано много потоков дан-

ных и много потоков команд. Таким образом, параллельно

могут выполняться несколько фрагментов одной задачи.

Структура такой машины, имеющей общую оперативную па- Рис. 2.3. Архитектура многопроцессорного компьютера мять и несколько процессоров, представлена на рис. 2.3.

Многомашинная вычислительная система. Здесь несколько процессоров, входящих в вычис-

лительную систему, не имеют общей оперативной памяти, а имеют каждый 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.

Преимущество в быстродействии многопроцессорных и многомашинных вычислительных систем перед однопроцессорными очевидно.

21

Центральный процессор (CPU, от англ. Centrаl Prоcessing Unit) - это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит в себе:

арифметико-логическое устройство;

шины данных и шины адресов;

регистры;

счетчики команд;

кэш - очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему - тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кри- сталл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

2.7.1.Основными параметрами процессоров являются:

тактовая частота,

разрядность,

рабочее напряжение,

коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты,

размер кэш памяти.

Тактовая частота определяет количество элементарных операций (тактов), выполняемые процессором за единицу времени. Тактовая частота современных процессоров измеряется в МГц (1 Гц соответствует выполне-

нию одной операции за одну секунду, 1 МГц=10 6 Гц). Чем больше тактовая частота, тем больше команд может выполнить процессор, и тем больше его производительность. Первые процессоры, которые использовались в ПК работали на частоте 4,77 МГц, сегодня рабочие частоты современных процессоров достигают отметки в 2 ГГц (1

ГГц = 10 3 МГц).

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью командной шины, то есть количеством проводников в шине, по которой передаются команды. Современные процессоры семейства Intel являются 32разрядными.

Рабочее напряжение процессора обеспечивается материнской платой, поэтому разным маркам процессоров отвечают разные материнские платы. Рабочее напряжение процессоров не превышает 3 В. Снижение рабочего напряжения разрешает уменьшить размеры процессоров, а также уменьшить тепловыделение в процессоре, что разрешает увеличить его производительность без угрозы перегрева.

Коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты - это коэффициент, на который следует умно-

жить тактовую частоту материнской платы, для достижения частоты процессора. Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая из чисто физических причин не может работать на таких высоких частотах, как процессор. На сегодня тактовая частота материнских плат составляет 100-133 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение на коэффициент 4, 4.5, 5 и больше.

Кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит намного быстрее, чем обмен данными между процессором и оперативной памятью. Поэтому, для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают так называемую сверхоперативную или кэш-память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается к кэш-памяти, и только тогда, когда там отсутствуют нужные данные, происходит обращение к оперативной памяти. Чем больше размер кэш-памяти, тем большая вероятность, что необходимые данные находятся там. Поэтому высокопроизводительные процессоры имеют повышенные объемы кэш-памяти.

В компьютерах IBM PC используют процессоры, разработанные фирмой Intel, или совместимые с ними процессоры других фирм, относящиеся к семейству x86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086. В дальнейшем выпускались процессоры Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486 с модификациями,

разные модели Intel Pentium, Pentium MMX, Pentium Pro, Pentium II, Celeron, Pentium III. Новейшей моделью фир-

мы Intel является процессор Pentium IV. Среди других фирм-производителей процессоров следует отметить AMD

с моделями AMD-K6, Athlon, Duron и Cyrix.

22

Последним достижением явились многоядерные процессоры. Первыми появились двухъядерные процессоры, их стали выпускать компании AMD и Intel. Наиболее совершенным и мощным процессором 2005г. стал Athlon 64*2, выпущенный AMD. Два кремниевых ядра этого процессора имеют собственную кэш-память и общие контроллер оперативной памяти и шину, позволяющие при помощи специального переключателя пользоваться кэшем второго уровня друг-друга. Athlon 64*2, имеет следующие характеристики: тактовая частота ядер 2,2; 2,4

Рис. 2.5. Микропроцессор AMD Athlon X2 ГГц, кэш первого уровня 128 Кб (64+64), кэш второго уровня по 512 Кб на ядро. Размеры

ядер 147мм 2 и 199мм 2 , Количество транзисторов 154 млн. и 233,2 млн. Частота и пропускная способность шины 2000 МГц и 8 Гб/с соответственно. Этот процессор поддерживает расширенный набор команд, практически полностью программно и аппаратно совместим с предшественниками и является удачным выбором для построения систем повышенной производительности.

«Топовыми» на сегодняшний день являются четырехъядерные процессоры (у AMD Quad FX, у IntelQX6700),но они очень дороги и подойдут профессионалам, работающим с очень ресурсоемкими приложениями.

В вычислительной системе может быть несколько параллельно работающих процессоров; такие системы называются многопроцессорными.

2.8. Как устроена память?

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов - битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова - два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово). Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации. Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице:

Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и Петабайт.

Современные компьютеры имеют много разнообразных запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации. Различают два основных вида памяти - внутреннюю и внешнюю.

2.9.Какие устройства образуют внутреннюю память?

Всостав внутренней памяти входят оперативная память, кэш-память и специальная память.

2.9.1. Оперативная память

Оперативная память (ОЗУ, англ. RАM, Rаndоm Аccess Memоry - память с произвольным доступом) - это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных,

обрабатываемых этими программами.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой - это означает, что каждый байт памяти имеет свой ин-

дивидуальный адрес, выраженный числом. В современ-

ных ПК на базе процессоров Intel Pentuim используется 32-разрядная адресация. Это означает, что всего независимых адресов есть 232, то есть возможное адресное пространство составляет 4,3 Гбайт. Однако, это еще не означает, что именно столько оперативной памяти может быть в системе. Предельный размер объема памяти

определяется чипсетом материнской платы и обычно составляет несколько сотен мегабайт.

23

Микросхемы ОЗУ устанавливаются в корпуса и собираются в модули памяти. Оперативная память в компьютере размещена на стандартных панельках, которые называются модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Конструктивно модули памяти имели два выполнения - однорядные (SIMM - модули имели объем 4, 8, 16, 32, 64 мегабайт; -время доступа - 50-70 нс) и двурядные (DIMM - модули). На компьютерах с процессорами Pentium однорядные модули можно применять лишь парами (количество разъемов для их установления на материнской плате всегда четное). DIMM - модули можно устанавливать по одному. Комбинировать на одной плате разные модули нельзя.

До 2002г. ОЗУ исполнялось в виде интегральных микросхем памяти SDRАM (синхронное динамическое ОЗУ). Каждый информационный бит в SDRАM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре полупроводникового кристалла. Из-за токов утечки такие конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memоry).

Недостатки памяти SDRAM: медленнее происходит запись и чтение данных, требует постоянной подзарядки. Преимущества: простота реализации и низкая стоимость.SDRАM имели ёмкость 16 - 256 Мбит и более.

Современные компьютеры комплектуются модулями типа DIMM (Duаl-In-line Memоry Mоdule - модуль памяти

сдвухрядным расположением микросхем).

Вкачестве альтернативы SDRAM в2000-2004г. были предложены высокоскоростные модули Rаmbus (RDRАM), но из-за высоких цен эта технология не стала массовой, до сих пор блок 512 Мб стоит примерно 350 $.

На данный момент существует три разновидности блоков ОЗУ: DDR,. DDR2, DDR3. DDR (Duble Data Rate)с каждым тактом передается 2 бита данных, встречается в компьютерах с 2002 г по 2005г., максимальная емкость одного блока 1 Гб.

DDR2 появились в конце 2005г., они обрабатывают в два раза больше данных, чем DDR, потребляя при этом меньше электроэнергии, чипсеты этой памяти меньшего размера, что позволяет производить блоки большего размера. емкость одного блока 2 Гб.

DDR3 SDRAM (англ. double-data-rate three synchronous dynamic random access memory — синхронная дина-

мическая память с произвольным доступом и удвоенной скоростью передачи данных, третье поколение) — это тип оперативной памяти, используемой в вычислительной технике в качестве оперативной и видео - памяти. Пришла на смену памяти типа DDR2 SDRAM.

У DDR3 уменьшено на 40 % (по другим данным — 30 %) потребление энергии по сравнению с модулями

DDR2, что обусловлено пониженным (1,5 В, по сравнению с 1,8 В для DDR2 и 2,5 В для DDR) напряжением питания ячеек памяти. Снижение напряжения питания достигается за счёт использования 90-нм (вначале, в дальнейшем 65-, 50-, 40-нм) техпроцесса при производстве микросхем и применения транзисторов с двойным затвором Dual-gate (что способствует снижению токов утечки).

Микросхемы памяти DDR3 производятся исключительно в корпусах типа BGA.

Модули памяти характеризуются такими параметрами, как объем -(16, 32, 64, 128, 256 или 512 Мбайт), чис-

ло микросхем, тактовая частота(400 или 800МГц), время доступа к данным - показывает, сколько времени необходимо для обращения к ячейкам памяти, измеряется в наносекундах (6 или 7 наносекунд) и число контак-

тов (72, 168 или 184).

Для портативных компьютеров выпускаются специальные модули, имеющие значительно меньшие размеры,

2.9.2. Кэш-память

Кэш (англ. cаche), или сверхоперативная память - очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Кэш-памятью управляет специальное устройство - контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как "попадания", так и "промахи". В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования.

Кэш-память реализуется на микросхемах статической памяти SRАM (Stаtic RАM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRАM (SDRАM). Ячейки статической памяти можно представить как электронные микроэлементы - триггеры, состоящие из транзисторов. В триггере сохраняется не заряд, а состояние (включенный/выключенный). Преимущества памяти SRAM: значительно большее быстродействие. Недостатки: технологически более сложный процесс изготовления, и соответственно, большая стоимость.

Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память (выполняется на одном кристалле с процессором), так называемый кэш первого уровня размером 8, 16 или 32 Кбайт;

кэш-память второго уровня (выполняется на отдельном кристалле, но в границах процессора, с объемом в сто и более Кбайт);

кэш третьего уровня (выполняется на отдельных быстродействующих микросхемах с расположением на материнской плате и имеет объем один и больше Мбайт).

2.9.3. Специальная память

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (RОM), перепрограммируемая постоян-

ная память (Flаsh Memоry), память CMОS RАM, питаемая от батарейки, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Постоянная память (ПЗУ, англ. RОM, Reаd Оnly Memоry - память только для чтения) - энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. ПЗУ не за-

24

висит от состояния компьютера (для лучшего понимания можно указать на некоторую аналогию между информацией в ПЗУ и "врожденными" безусловными рефлексами у живых существ). Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на заводе, теперь же современные технологии позволяют в случае необходимости обновлять его даже не извлекая из компьютерной платыПерепрограммируемая постоянная память (Flаsh Memоry) -

энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

В момент включения компьютера в его оперативной памяти отсутствуют любые данные, поскольку оперативная память не может сохранять данные при отключенном компьютере. Но процессору необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому процесор обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес указывает на память, которую принято называть постоянной памятью ROM или постоянным запоминающим устройством (ПЗУ).

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.

Важнейшая микросхема постоянной или Flаsh-памяти - модуль BIОS. Роль BIОS двоякая: с одной стороны это неотъемлемый элемент аппаратуры, а с другой строны - важный модуль любой операционной системы.

BIОS (Bаsic Input/Оutput System - базовая система ввода-вывода) - совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.

BIOS включает в себя обширный набор программ ввода-вывода, благодаря которым операционная система и прикладные программы могут взаимодействовать с различными устройствами, как самого компьютера, так и подключенными к нему. Сам термин BIOS, видимо, заимствован из операционной системы CP/M, в которой модуль с подобным названием был программно реализован и выполнял примерно подобные действия.

Большинство современных видеоадаптеров, а также контроллеры накопителей имеют собственную систему BIOS, которая обычно дополняет системную. Во многих случаях программы, входящие в конкретную BIOS, заменяют соответствующие программные модули основной BIOS. Вызов программ BIOS, как правило, осуществляется через программные или аппаратные прерывания.

Заметим, что система BIOS помимо программ взаимодействия с аппаратными средствами на физическом уровне содержит программу тестирования при включении питания компьютера POST (Power–On-Self-Test, Самотестирование при включении питания компьютера). Тестируются основные компоненты, такие как процессор, память, вспомогательные микросхемы, приводы дисков, клавиатуру и видеоподсистему.

Для своей работы программы BIOS требуют всю информацию о текущей конфигурации системы. Специально для этих целей на материнской плате есть микросхема энергонезависимой памяти, которая называется CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не исчезает при отключении компьютера, а от постоянной памяти она отличается тем, что данные можно заносить туда и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы.

Микросхема памяти CMOS постоянно питается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. В этой памяти сохраняются данные про гибкие и жесткие диски, процессоры и т.д. Тот факт, что компьютер четко отслеживает дату и время, также связан с тем, что эта информация постоянно хранится (и обновляется) в памяти CMOS. Таким образом, программы BIOS считывают данные о составе компьютерной системы из микросхемы CMOS, после чего они могут осуществлять обращение к жесткому диску и другим устройствам.

Разновидность постоянного ЗУ - CMОS RАM.

CMОS RАM - это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от бата-

нием видеоданных в памяти. Для обеспечения эффективности передачи данных важна пропускная способность видеопамяти, которая зависит от параметров шины, по которой передаются данные к графическому процессору и эффективной частоты ее работы. Современные видеокарты имеют шину с разрядностью 256 бит, работающую на частоте 1ГГц и выше; бюджетные модели обходятся 128 или даже 64-битной шиной с частотой 400-700 Мгц.

2.10. Какие устройства образуют внешнюю память?

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. 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:

Всостав внешней памяти компьютера входят:

накопители на жёстких магнитных дисках;

25

накопители на гибких магнитных дисках;

накопители на компакт-дисках;

накопители на магнито-оптических компакт-дисках;

накопители на магнитной ленте (стримеры);

портативные флэш-накопители.

2.10.1. Накопители на гибких магнитных дисках

Гибкий диск (англ. flоppy disk), или лискета, - носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения.

Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.

нитных доменов.

Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Ёмкость сектора постоянна и составляет 512 байтов.

С 1981г. и по настоящее время продолжают использоваться дискеты со следующими характеристиками: диаметр 3,5 дюйма (89 мм), ём-

кость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18.

Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках

(англ. flоppy-disk drive), автоматически в нем фиксируется, после чего

механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 мин-1. В Рис. 2.7. Поверхность магнитного диска накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер

гибких дисков.

Позднее появились трехдюймовые дискеты, которые могут хранить до 3 Гбайт информации. Они изготавливались по новой технологии Nаnо2 и требуют специального оборудования для чтения и записи.

Со временем магнитное покрытие изнашивается, размагничивается, и на дискете возникают дефекты, препятствующие чтению данных. С появлением компакт-дисков дискеты утратили свою актуальность, сейчас крупнейшие производители уже заявили о прекращении производства дискет.

2.10.2. Накопители на жестких магнитных дисках

Если гибкие диски - это средство переноса данных между компьютерами, то жесткий диск - информацион-

ный склад компьютера.

Накопитель на жёстких магнитных дисках (англ. HDD - Hаrd Disk Drive) или винчестерский накопи-

тель - это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые или керамические пластины - платтеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала (окисью железа или хрома). Используется для постоянного хранения информации - программ и данных.

Раньше головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключались в герметически закрытый корпус, называвшийся модулем данных. При установке модуля данных на дисковод он автоматически соединялся с системой, подкачивающей очищенный охлажденный воздух. В современных жестких дисках комплект «блинов» является несъемным, система не является герметичной и в ней отсутствует принудительная вентиляция. Тем не менее пластины, головки и шпиндель и высокоточная механика находятся внутри емкости называемой «гермозоной», внутри которой находится

воздух. Гермозона связана с атмосферой системой выравнивания Рис. 2.8. Винчестерский накопитель давления, снабженной фильтрами для защиты от пыли.

со снятой крышкой корпуса Поверхность платтера имеет магнитное покрытие толщиной всего лишь в 1,1 мкм, а также слой смазки для предохранения головки от повреждения при опускании и подъёме на ходу. При вращении платтера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 0,5 мкм над поверхностью диска. Некоторые производители указывают предельную высоту над уровнем моря (например, 3000 м) на которой разрешается использовать жесткие диски, т.к. создаваемая «воздушной подушкой» подъемная сила, поддерживающая головки, зависит от атмосферного давления, которое снижается с повышением высоты.

26

В накопителе может быть до десяти дисков. Их поверхность разбивается на круги, которые называются дорожками (track). Каждая дорожка имеет свой номер. Дорожки с одинаковыми номерами, расположенные одна над другой на разных дисках образуют цилиндр. Дорожки на диске разбиты на секторы (нумерация начинается с единицы). Сектор занимает 571 байт: 512 отведено для записи нужной информации, остальные под заголовок (префикс), определяющий начало и номер секции и окончание (суффикс), где записана контрольная сумма, нужная для проверки целостности хранимых данных.

Секторы и дорожки образуются во время форматирования диска. Форматирование выполняет пользователь с помощью специальных программ. На неформатированный диск не может быть записана никакая информация. Жесткий диск можно разбить на логические диски. Это удобно, поскольку наличие нескольких логических дисков упрощает структуризацию данных, хранящихся на жестком диске.

Винчестерские накопители имеют очень большую ёмкость: от 10 до 100 Гбайт. У современных моделей скорость вращения шпинделя (вращающего вала) обычно составляет 7200 об/мин, среднее время поиска данных 9 мс, средняя скорость передачи данных до 60 Мбайт/с. В отличие от дискеты, жесткий диск вращается непрерывно. Все современные накопители снабжаются встроенным КЭШем (обычно 2 Мбайта), который существенно повышает их производительность. Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жест-

кого диска.

2.10.3. Параметры, влияющие на быстродействие HDD:

скорость обращения дисков - в наше время выпускаются накопители EIDE с частотой обращения 54007200 об/мин, и накопители SCSI - 7500-10000 (реже 15000) об/мин;

емкость кэш-памяти - во всех современных дисковых накопителях устанавливается кэш-буфер, ускоряющий обмен данными; чем больше его емкость, тем выше вероятность того, что в кэш-памяти будет необходимая информация, которую не надо считывать с диска, емкость кэш-буфера в разных устройствах может изменяться в границах от 64 Кбайт до 2Мбайт;

среднее время доступа - время (в миллисекундах), на протяжении которого блок головок смещается с одного цилиндра на другой. Зависит от конструкции привода головок и составляет приблизительно 10-13 миллисекунд; время задержки - это время от момента позиционирования блока головок на нужный цилиндр до позициони-

рования конкретной головки на конкретный сектор, т.е. это время поиска нужного сектора; рабочая температура – от нее зависит срок службы жесткого диска, она должна быть как можно более низ-

кой, т.к. слишком «нагретый» винчестер быстрее выходит из строя и нагревает весь системный блок, варьируется в пределах 34-49 *С.

скорость обмена - определяет объемы данных, которые могут быть переданы из накопителя к микропроцессору и в обратном направлении за определенные промежутки времени. Этот параметр зависит от того, какой интерфейс используется: EIDE, SATA или SATA II. Максимальное значение этого параметра равно пропускной способности дискового интерфейса и зависит от того, какой режим используется: PIO или DMA. В режиме PIO обмен данными между диском и контроллером происходит при непосредственном участии центрального процессора, чем больше номер режима PIO, тем выше скорость обмена. Работа в режиме DMA (Direct Memory Access) разрешает передавать данные непосредственно в оперативную память без участия процессора; скорость передачи данных в современных жестких дисках колеблется в диапазоне 30-60 Мбайт/с.

Интерфейс EIDE уже много лет используется для подключения жестких дисков и оптических приводов. Интерфейс SATA обеспечивает более высокую скорость передачи данных при чтении и записи, чем EIDE. Интерфейс SATA II потенциально может обеспечить скорость передачи данных до 300 Мбайт/с., однако на

таких скоростях узким местом становится механика самого жесткого диска, не успевающая читать и записывать

данные с такой скоростью.

2.10.4. Накопители на компакт-дисках

Уже много лет привод для оптических дисков – стандартный компонент персонального компьютера, сегодня стандартный привод может выполнять не только чтение с дисков, но и запись на них, а также работать с разными типами оптических носителей.

CD-RОM (Соmpаct Disk Reаd-Оnly Memоry - компакт диск, из которого можно только читать) представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на

одну сторону которого напылен светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Толщина напыления составляет несколько десятитысячных долей мил-

лиметра.

Информация на диске представляется в виде последовательности впадин (углублений в диске) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска. В связи с этим, угловая скорость вращения диска не постоянна, она линейно уменьшается в процессе продвижения читающей лазерной головки к краю диска.

На каждом дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч витков спиральной дорожки. Для сравнения - на поверхности жесткого диска на дюйме по радиусу помещается лишь несколько сотен дорожек. Емкость CD достигает 780 Мбайт. Информация наносится на диск при его изготовлении и не может быть изменена.

27

не меняется, то и состояние светодиода не меняется. В результате ток через светодиод образует последовательность двоичных электрических сигналов, соответствующих сочетанию впадин и выступов на дорожке.

Различная длина оптического пути луча света в двух последовательных тактах считывания информации соответствует двоичным единицам. Одинаковая длина соответствует двоичным нулям.

Поначалу когда емкость CD дисков казалась огромной, были созданы различные форматы для различных специализированных устройств: видео, фото, караоке, а также целой группы смешанных форматов Mix Mode, CD plus, Cd-extra, ориентированных на одновременное размещение записей разных типов. Одновременно началась погоня за скоростью, которая иногда приводила к разрывам дисков внутри особенно скоростных приводов. В результате производители достигли скорости в 52х (по отношению к скорости проигрывателей аудио компакт-дисков -150 Кб/с), что соответствует максимальной скорости передачи данных 7,8 Мб/с ( при чтении данных с периферийных областей диска). И, наконец, были разработаны диски и приводы, позволяющие не только читать, но и записывать информацию. Сложность разработки новых форматов CD-DA и CD-ROM – в обеспечении совместимости с существующими устройствами для чтения дисков.

2.10.5. Записывающие оптические и магнитооптические накопители

Записывающий накопитель CD-R (Cоmpаct Disk Recоrdаble) способен, наряду с прочтением обычных ком- пакт-дисков, записывать информацию на специальные оптические диски емкостью 650 Мбайт. В дисках CD-R отражающий слой выполнен из золотой пленки. Между этим слоем и поликарбонатной 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.

Накопитель WАRM (Write Аnd Reаd Mаny times), позволяет производить многократную запись и считывание информации. Диски CD-RW (Cоmpаct Disk Re-Writable) можно многократно использовать для записи. Вместо обычного красителя в них используется специальное вещество, которое переходит из непрозрачного состояния в прозрачное и обратно в зависимости от скорости нагрева. Вследствие меньшей контрастности прозрачных участков такие диски не читались на приводах ранних моделей, предназначенных исключительно для работы с CDRОM. Емкость оптических дисков зависит от плотности записи, которая в свою очередь определяется длинной волны лазера. Чем меньше длина лазера, тем меньше «штрихов» можно нанести на единицу площади диска. Ограничением плотности записи было отсутствие долговечного полупроводникового лазера с длинной волны менее 740 нанометров, стандартной для технологии CD. Исследования технологов и изобретателей позволили довести долговечность лазерных диодов, излучающих желто-оранжевый свет (длина 560 нм) до 10000 и более часов, что позволило уплотнять запись на 12 дюймовых дисках до 4,7Гб.

Примером накопителей CD-RW с возможностью уплотнения записи является

накопитель на магнито-оптических компакт-дисках СD-MО (Cоmpаct Disk - Mаgnetо Оpticаl) (рис. 2.10). Диски СD-MО можно многократно использовать для записи. Ёмкость от 128 Мбайт до 2,6 Гбайт.

Дальнейшие поиски способа повышения плотности записи привели к качественно новой технологии – DVD.

Применение коротковолнового лазера позволило использовать для записи дополнительный полупрозрачный слой, что позволило увеличить емкость двухслойного DVD диска до 8,5 Гб. Склеивание пары таких дисков позволило еще раз удвоить емкость носителя, правда, в большинстве приводов такой диск приходится переворачивать вручную, что не очень удобно для работы с данными, требующими произвольного доступа. Однако, плюс такого диска в исключительной емко-

28

разметкой диска, который удобен для транспортировки и хранения большого количества мелких файлов (фото, музыки, электронных книг и т.п.).

Скорость записи компакт-дисков выражается по отношению к первым DVD приводам (1350 Кб/с). Современный DVD рекордер, имеющий скорость 8х, работает в 8 раз быстрее, т.е. записывает 10800 Кб/с.

Последнее достижение появление новых форматов оптических носителей для записи видео высокой четкости и вмещающих до 25 Гб данных – HD-DVD и Blu-ray, однако, цены на приводы и носители этих стандартов пока очень высокие.

2.10.6. Накопители на магнитной ленте (стримеры) и накопители на сменных дисках

Стример (англ. tаpe streаmer) - устройство для резервного копирования больших объёмов информации. В качестве носителя здесь применяются кассеты с магнитной лентой ёмкостью 1 - 2 Гбайта и больше.

Стримеры относились к устройствам хранения данных с последовательным доступом, в которых файлы или их фрагменты записываются строго друг за другом, и, чтобы получить доступ к некоторой записи, требуется просмотреть все предыдущие, что является неудобным.

Стримеры позволяли записать на небольшую кассету с магнитной лентой огромное количество информации. Встроенные в стример средства аппаратного сжатия позволяли автоматически уплотнять информацию перед её записью и восстанавливать после считывания, что увеличивало объём сохраняемой информации.

Недостатком стримеров являлась их низкая скорость записи, поиска и считывания информации, для них был нужен специальный привод.

Однако, они долгое время использовались для резервного копирования больших объемов информации.

В последнее время всё шире используются накопители на сменных дисках, которые позволяют не только увеличивать объём хранимой информации, но и переносить информацию между компьютерами. Объём сменных дисков - от сотен Мбайт до нескольких Гигабайт.

2.10.7.Накопители на сменных дисках.

Внешние жесткие диски часто оказываются незаменимыми при работе с ноутбуком, они оптимальны для резервного копирования данных и увеличения емкости стационарного винчестера. Чтение и запись данных производится быстрее, чем при использовании флэш-накопителя.

Внешние носители бывают двух типоразмеров – на базе 3,5 дюймовых винчестеров емкостью от 300 до 500 Гб и 2,5 дюймовых, вмещающих до 160 Гб данных.

Внешние винчестеры монтируются в жесткие корпуса. 3,5 дюймовых винчестеры требуют питания от стационарной электросети, 2,5 дюймовые питаются непосредственно от компьютера через USB-кабель, иногда питание необходимо сразу от двух USB-разъемов, для этого нужен соответствующий кабель. Внешние жесткие EIDE диски c интерфейсами USB или FireWire уступают по скорости внутренним, т.к. передача через интерфейс требует времени, кроме того, сами интерфейсы USB или FireWire имеют ограничения по скорости передачи. Внешние жесткие диски c интерфейсом SATA осуществляют передачу данных с той же скоростью, что и внутренние. Однако, SATA разъем имеется не у каждого компьютера, к тому же подобные диски стоят очень дорого (от 500$) и встречаются довольно редко.

2.10.8.Портативные флэш-накопители.

Флэш-накопители или флэш-драйвы – внешние устройства, на которые можно копировать, а затем считывать информацию от 8 Мбайт до 4 Гбайт.

Флэш-накопители с USB-интерфейсом появились на рынке с 2002г., они отличаются друг от друга по размерам, объемам хранимой информации, скорости работы, дополнительным возможностям.

Любой флэш-драйв представляет собой одну небольшую печатную плату, «упакованную» в небольшой пластмассовый или алюминиевый корпус, на которой расположены все микросхемы и к которой жестко прикреплен обычный USB-разъем. Микросхем на плате может быть: одна, две или четыре (в накопителях объемом более 1 Гбайта), микросхемы флэш-памяти и контроллер ( как правило одна микросхема, редко –две). Флэш-память – в

основном производства Samsung. Все отличия в скорости и функциональности определяются типом кон-

троллера. Наиболее распространенные M-Systems, OTi, Phison, Prolific, SSS.

Эти накопители позволяют разбивать хранимую информацию на части, защищать данные паролем, может быть предусмотрена защита от записи, светодиодный индикатор активности устройства и т.д. В комплект флэшнакопителя может быть включен CD с драйверами, утилитами и документацией, краткое описание, USBудлинитель. Размеры могут быть 43х18х1.8 мм - наименьший 88х29х12 мм; объем памяти – 8-512 Мбайт (PQI Intelligent Stick) и 1-4 Гбайт (Transcend Jet-FiashA); время доступа - от 0,9 до 43,5 мс; скорость чтения от 789 Кбайт/с до 7467,2 Кбайт/с; скорость записи – от 743 Кбайт/с до 6620 Кбайт/с.

Все флэш-накопители отличаются набольшим размером, малой толщиной и легко помещаются в карман или могут подвешиваться в виде брелка. Их популярность обусловлена простотой наращивания емкости, они не содержат механических движущихся частей, что обуславливает малое энергопотребление при работе и способность выдерживать значительные механические нагрузки (в 5-10 раз превышающие предельно допустимые для обычных жестких дисков). Однако число циклов перезаписи у флэш-чипов ограничено (от 10тыс. до 1 млн.), процедуры стирания и записи сильно изнашивают ячейки флэш-памяти, поэтому используются специальные алгоритмы, оптимизирующие процесс стирания/записи и обеспечивающие равномерное использование всех ячеек модуля. На сегодняшний день это является сдерживающим фактором для тотального перевода компьютеров на флэш-драйвы.

29

2.11. Что такое аудиоадаптер?

Аудио или звуковой адаптер (Sоund Blаster) или звуковая плата это специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать программными средствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования.

Современные материнские платы имеют встроенные аудиокарты, однако они редко могут обеспечить скорость обработки и качество звука, сравнимые с теми, которые могут предложить современные звуковые карты в виде плат расширения или внешних модулей.

Звуковая плата содержит в себе два преобразователя информации:

аналого-цифровой, который преобразует непрерывные (то есть, аналоговые) звуковые сигналы (речь, музыку, шум) в цифровой двоичный код и записывает его на магнитный носитель;

цифро-аналоговый, выполняющий обратное преобразование сохранённого в цифровом виде звука в аналоговый сигнал, который затем воспроизводится с помощью акустической системы, синтезатора звука или наушников.

Звуковой процессор DSP (Disitial Signal Processor).

Мощность звукового процессора сравнима с мощностью центральных процессоров. DSP управляет работой цифро-аналогового (ЦАП) и аналогоцифрового преобразователей (АЦП), микшированием звуковых каналов, наложением звуковых дорожек, генерацией сложных звуковых эффектов, моделирования объемного звука и т.д. Кроме того, ресурсы DSP используются для аппаратной поддержки различных технологий трехмерного звучания в компьютерных играх.

Основные характеристики звуковых плат:

Разрядность ЦАП - чем выше значение, тем выше качество звука. На сегодняшний день актуальны платы с разрядностью 24 Бит;

Частота дискретизации ЦАП - чем она выше, тем достовернее цифровое звуча-

ние воспроизводит аналоговые звуки. Максимальная доступная на сегодня частота 192 кГц;

Соотношение сигнал-шум, чем оно выше, тем меньше помех слышно в воспроизводимом (и записываемом) звуке, должно быть от 100 дБ;

Формат объемного звучания – цифровая маркировка «7.1» означает, что карта поддерживает подклю-

чение многоканальной акустики, в данном случае – 7 основных каналов и низкочастотного динамика (сабвуфера) для создания объемного звучания. На сегодня существует следующие форматы объемного звучания: 2 (стерео), 2.1(стерео + сабвуфер), 4.0, 4.1, 5.1, 6.1, 7.1.

Профессиональные звуковые карты позволяют выполнять сложную обработку звука, обеспечивают стереозвучание, имеют собственное ПЗУ с хранящимися в нём сотнями тембров звучаний различных музыкальных инструментов. Звуковые файлы обычно имеют очень большие размеры. Так, трёхминутный звуковой файл со стереозвучанием занимает примерно 30 Мбайт памяти. Поэтому платы Sоund Blаster, помимо своих основных

функций, обеспечивают автоматическое сжатие файлов.

M-Audio, которая, завершая прошлый год, объявила о выпуске аудиокарты нового поколения, назвав ее не иначе, как Revolution 7.1.

Revolution 7.1 являет собой восьмиканальную звуковую карту. Ее отличительными чертами являются профессиональное качество звука и

ориентированность на самого широкого потребителя. В первую очередь новинка предназначается для тех пользователей, которые задались целью создания домашнего DVD-театра на базе ПК.

Область применения звуковых плат - компьютерные игры, обучающие программные системы, рекламные презентации, "голосовая почта" (vоice mаil) между компьютерами, озвучивание различных процессов, происходящих в компьютерном оборудовании, таких, например, как отсутствие бумаги в принтере и т.п.

2.11. Что такое видеоадаптер и графический акселератор?

Видеоадаптер или видеокарта - это электронная плата, которая обрабатывает видеоданные (текст и графику) и управляет работой дисплея.

30