Теоретическая Информатика

Такое разделение приводит к разным срокам действия памяти. Память для выполнения программы нужна только на время выполнения программы. Архивные же данные должны храниться в памяти постоянно.

Оперативная, или временная, память хранит данные только во время работы компьютера. При выключении или перезагрузке компьютера содержимое оперативной памяти теряется.

Постоянная память сохраняет свои данные постоянно. Магнитная и оптическая память относится только к посто-

янной, электронная бывает как временная, так и постоянная.

Оперативная память, или RAM (random access memory, RAM,

читается «рэм») — электронная оперативная память, расположенная около процессора и обеспечивающая его работу.

Флэш-память — электронная постоянная память. Флэш-память имеет вид небольших устройств-брелоков,

подключаемых к компьютеру, объемом от 64 Кб до 2 Гб.

Т а б л и ц а 2 . 2

Виды памяти

2°. С и с т е м н а я п л а т а и р а с п о л о ж е н и е п а м я т и Центральный процессор, оперативную память, генератор

тактовых импульсов и другие основные компоненты управления компьютером оказалось удобным разместить на одной большой печатной плате.

Печатная плата — пластина для монтажа электронных и электрических элементов, соединяемых проводниками.

Системная плата — основная печатная плата компьютера, на которой смонтированы центральный процессор, оперативная память, генератор тактовых импульсов и другие основные микросхемы.

Печатная плата обычно называется просто платой, а сис-

темная плата — основной, или материнской, платой.

Процессор имеет вид прямоугольника, а элемент оперативной памяти, внешней для процессора,— узкой печатной платы с размещенными на ней микросхемами памяти. Процессор и элементы оперативной памяти вставляются в специальные разъемы на системной плате (см. рис. 2.3).

Остальная компьютерная аппаратура (монитор, жесткий диск и т. д.) подключены к своим микросхемам, которые размещены:

1)либо непосредственно на системной плате, т. е. являются

интегрированными устройствами;

2)либо на отдельных печатных платах — картах, вставленных в специальные разъемы — слоты — на системной плате

(см. рис. 2.3 и 2.4).

Карта — печатная плата, управляющая компьютерным устройством. Вставляется в разъем на системной плате — слот.

Системная шина — проводники, соединяющие микросхемы системной платы для обмена данными и командами программ.

Разрядность шины — количество проводников шины, другими словами, количество разрядов двоичного числа, передаваемого по шине.

Системную шину называют также информационной магистралью, а иногда и просто шиной.

Разрядность шины — второй фактор после тактовой частоты, который определяет быстродействие компьютера. Разрядность шины ограничивает величину оперативной памяти, которую может адресовать компьютер.

Современные ПК имеют 32-разрядную шину, поэтому максимальный размер их оперативной памяти равен 232 байта = 4 гигабайта.

Рис. 2.3. Системная плата с размещенными на ней элементами

Как уже говорилось, почти к любому виду аппаратуры обычно подходят два кабеля: сигнальный и силовой (если, конечно, оборудование не питается от батареек или аккумуляторов).

Исключения составляет следующая аппаратура.

1.Клавиатура и мышь, к которым либо подходят по одному совмещенному проводу, либо у беспроводной клавиатуры или мыши не подходит никакого (обмен информацией с системным блоком осуществляется с помощью электромагнитных волн).

2.Системный блок, к которому снаружи подходит много проводов (см. рис. 1.1).

3.Сетевой электрический фильтр и блок бесперебойного питания. К первому сигнальный кабель никогда не подходит, ко второму — может не подходить.

4.Сетевые компьютерные устройства, такие, как хаб, к которым может не подходить силовой кабель.

е г о к о м а н д ы и п а м я т ь Центральный процессор компьютера называют также «кам-

нем», поскольку это микросхема, полупроводник, т. е. кристалл, собрание множества микротранзисторов.

Центральный процессор (ЦП) (CPU, central processor unit) — ос-

новное устройство компьютера, осуществляющее обработку данных, задаваемую программой, и имеющее две основные функции:

1)выполнение операций над данными;

2)управление последовательностью операций над данны-

ми.

Система команд процессора — множество действий, которые может выполнить процессор.

Центральный процессор называют просто процессором.

У простейших микрокалькуляторов процессор может выполнить всего несколько команд, в основном сложение, умножение, вычитание, деление двух чисел. Процессоры современных персональных компьютеров способны выполнить более тысячи команд.

Система команд процессора определяет модель компьютера. Кроме команд процессора, существуют еще машинные ко-

манды.

Машинная команда — указание процессору на выполнение одной из его команд. Компьютерная программа — последовательность машинных команд для выполнения какого-либо конкретного действия.

Компьютерные программы называют просто программами. Для выполнения команд процессор имеет внутри себя са-

мый быстрый вид компьютерной памяти — регистровый. Регистр процессора — ячейка памяти ЦП для хранения об-

рабатываемых данных.

Регистровая память — система регистров ЦП.

Не перепутайте регистры процессора с регистрами клавиатуры!

Регистры процессора и регистровую память называют реги-

страми.

Процессоры имеют также быстродействующую кэш-

память.

Буферная память — память процессора для размещения небольшой части данных для их быстрой обработки в регистрах.

Буферную память процессора обычно называют кэш-

памятью.

Кэш-память быстрее внешней оперативной памяти, но медленнее регистровой, и служит для ускорения обработки команд процессором.

Процессоры одной архитектуры отличаются друг от друга не только объемами регистровой или кэш-памяти. Основной характеристикой процессора считается его тактовая частота.

Для правильной работы компьютера устройства, из которых он состоит, должны работать согласованно. Обычно такую согласованную работу компьютерных устройств сравнивают с игрой хорошего оркестра. Игра инструментов оркестра согласовывается при помощи строго определенного музыкального ритма, музыкальных тактов.

Для обеспечения согласования работы компьютерных уст-

ройств служит генератор тактовых импульсов.

Генератор тактовых импульсов — компьютерное устройство,

с определенной частотой вырабатывающее специальные сигналы, которые называются тактовыми импульсами.

Тактовая частота компьютера — количество тактовых им-

пульсов в секунду. Частоты измеряются в герцах.

Тактовые импульсы называют просто тактами, тактовую частоту компьютера — просто частотой компьютера.

Процессор компьютера выполняет каждую команду за определенное количество тактов. Поэтому чем выше тактовая частота процессора, тем быстрее выполняются команды процессора, тем выше его быстродействие и вычислительная мощность.

Тактовые частоты процессоров современных ПК составляют несколько гигагерц, т. е. несколько миллиардов герц.

Сначала разберем, как ЦП выполняет программу. Постоянная память — компьютерная память для бессрочно-

го хранения программ и данных.

Оперативная память — для временного размещаются программ и данных на время их обработки.

Загрузка программы — перенос кода программы из постоянной памяти в оперативную,

Выполнение программы — организация обработки процессором машинных команд программы и данных.

В качестве постоянной памяти выступают магнитные и оптические диски или флэш-память. Оперативная память теряется при выключении компьютера или перезагрузке операционной системы.

Т е х н о л о г и я 2 . 5 . В ы п о л н е н и е к о м п ь ю т е р -

но й п р о г р а м м ы .

1.Перед выполнением компьютерная программа загружается процессором из постоянной памяти в оперативную вместе с входными данными, которые она будет обрабатывать.

2.После этого процессор считывает входные данные из оперативной памяти и обрабатывает их согласно компьютерной программе, команды которой он также считывает из оперативной памяти.

3.Выходные данные, полученные в результате выполнения программы, т. е. обработки входных данных, постепенно помещаются процессором в оперативную память.

4.Окончательно полученные выходные данные снова размещаются процессором в постоянной памяти.

Принципиальная схема технологии 2.5 показана на рис. 2.6.

Эти четыре шага выполнения программы бывает трудно разделить по времени. Процессор может подгружать в оперативную память части программы уже во время ее выполнения. Выходные данные также могут записываться в постоянную память в течение всего выполнения программы процессором.

Рис. 2.6. Выполнение компьютерной программы процессором

Теперь рассмотрим более детально механизм обмена данными и командами между процессором и оперативной памятью.

В кэш-память из оперативной памяти процессор загружает текущие фрагменты входных данных и программы. Затем эти вычислительные фрагменты поступают из кэш-памяти в регистры для обработки и вычисления фрагментов выходных данных.

Фрагменты выходных данных накапливаются в кэш-памяти и пересылаются процессором в оперативную память (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Взаимодействие оперативной, кэш- и регистровой памяти

3°. У п р а ж н е н и я 1. Дорисуйте рис. 2.7, правильно добавив к нему схему по-

стоянной памяти с рис. 2.6.

§ 2. Структура магнитных дисков

1.Дорожка и сектор

1°. Д о р о ж к а

Каким образом осуществляется запись и чтение информации с магнитных дисков и лент? С помощью специальных устройств, в состав которых обязательно входят магнитные головки.

Магнитная головка — миниатюрное электронное устройство, скользящее по магнитному диску или магнитной ленте, с помощью которого записываются или считываются данные с диска или ленты.

Магнитная лента протягивается вплотную к нескольким магнитным головкам чтения/записи (или к головкам отдельно чтения и отдельно записи), а магнитный диск очень быстро вращается с прижатой к нему единственной магнитной головкой чтения/записи. Протяжка с магнитной лентой составляют магнитофон, а магнитный диск с головкой напоминает грампластинку с иглой звукоснимателя (см. рис. 2.8).

Дорожки

Физическая организация устройств работы с магнитной лентой и магнитным диском определяет разбивку магнитных поверхностей на узкие участки, по которым скользят магнитные головки.

Дорожка — фиксированная полоса на магнитной поверхности, на которой записаны данные и по которой скользит магнитная головка. Дорожки не пересекают друг друга.

На ленте дорожки имеют вид узких лент по числу головок, которых всего лишь несколько.

На магнитном диске дорожки — это узкие концентрические кольца. Дорожек очень много, и поэтому обслуживает эти дорожки одна головка, перемещающаяся от дорожки к дорожке. Нумерация дорожек начинается с нуля и идет от периферии диска к его центру (см. рис. 2.8).

В таком же порядке, начиная с периферии и заканчивая центром, на диск записываются новые данные.

2°. С е к т о р Рассмотрим более подробно структуру организации дан-

ных на магнитном диске.

Данные хранятся на диске в компьютерном формате, т. е. в байтах. Однако считывать с диска по одному байту слишком накладно. Поэтому магнитные диски устроены так, что система, которая считывает и записывает данные на диск, может делать эти операции не с одним байтом, а только с фиксированным объемом данных — с сектором.

Сектор — фиксированный объем данных, равный 512 байтам, который записывается и считывается с магнитного диска за один раз.

Таким образом, дорожки магнитных дисков разбиты на секторы объемом 512 байт. Схематически такое разбиение показано на рис. 2.9.

Процесс разбивки магнитного диска на секторы называется форматированием. Будьте осторожны с термином «форматирование», применяемым в разных компьютерных областях и имеющим различные оттенки.

Форматирование — задание параметров объекта.

Форматирование низкого уровня — разбивка магнитного дис-

ка на секторы.

Форматирование низкого уровня также называется размет-

кой, или инициализацией.