Аверянов Основы современной информатики 2007

также через некоторое время освобождает ЦП, и он может использоваться задачей С. Так как ЦП работает с высокой скоростью, для пользователя создается впечатление, что все задачи работают одновременно. Под задачами здесь и далее понимаются не только задачи пользователя, но и задачи, управляющие ресурсами ЭВМ. На рис. 2.4 представлена так называемая невытесняющая многозадачность, когда следующая задача не может реализовываться до вынужденного прерывания предыдущей. Применяется и режим вытесняющей многозадачности, когда каждой задаче предоставляется определенный квант времени, по истечении которого процессор передается следующей задаче, а текущее состояние прерванной задачи запоминается и используется при следующем обращении (режим разделения времени). Возможен также режим Multithreading (или многонитевидная обработка), когда распараллеливание производится внутри одной задачи в режиме невытесняющей многозадачности.

Рис. 2.4. Мультипрограммный режим работы ЦП

На рис. 2.5 представлены основные блоки ЦП.

1. Устройство управления. Оно предназначено для выборки команд из ОП, их интерпретации и инициализации. Обычно оно содержит следующие регистры:

программный счетчик PC – регистр, содержащий адрес той ячейки ОП, из которой будет выбираться следующая команда;

41

регистр команды IR – регистр, принимающий команду из основной памяти и хранящий ее во время дешифрования и выполнения;

слово состояния процессора PSW (оно может быть представлено отдельными триггерами, называемыми флажками или кодами условия, эти флажки фиксируют текущее состояние ЦП и важные особенности результата предыдущей команды);

указатель стека SP (во многих компьютерах применяется стек, который может быть образован набором внутренних регистров (разновидность внутренней памяти) или областью ОП; стек временно запоминает важную информацию на время выполнения подпрограмм и обработки прерываний).

Генератор синхронизации

Рис. 2.5. Блок-схема ЦП

42

2.Управляющая память. Хранит набор микрокодов (микрокоманд), реализующих систему команд компьютера.

3.Рабочие регистры. Во всех компьютерах имеется несколько регистров двух видов:

аккумуляторы (или арифметические регистры), служащие «блокнотом» при арифметических и логических операциях;

регистры адреса, используемые для адресации данных и команд

восновной памяти.

4.Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Выполняет арифметические и логические операции над содержимым регистров и запоминает результаты по указанию команды.

5.Генератор синхронизации. Формирует один или несколько потоков равномерно распределенных импульсов, которые координируют все действия компьютера. Скорость работы компьютера в значительной степени определяется частотой генератора.

6.Внутренняя память. ЦП некоторых ЭВМ имеют небольшую внутреннюю память (иногда называемую кэш-памятью), которая обладает большим быстродействием, чем ОП, и служит буфером между ОП и регистрами ЦП. Это может значительно повысить быстродействие компьютера. Подробности кэш-памяти описаны ранее.

По мере развития технических средств компьютеров ряд функций ЦП передается на периферию. Создаются специализированные (периферийные) процессоры, которые аппаратно реализуют ряд часто используемых функций компьютеров, способствуя значительному повышению производительности компьютеров при выполнении основных операций по обработке информации.

Одними из первых специализированных процессоров следует считать процессоры ввода-вывода, которые выполняют одну из самых массовых процедур при работе компьютеров. Из-за низкой скорости (относительно скорости ЦП) работы периферийных устройств ввод-вывод значительно замедляет работу ЦП. Большое распространение получили специализированные процессоры, выполняющие основные арифметические операции, включая операции с плавающей точкой (в персональных компьютерах такие процессоры называют сопроцессорами). Дальнейшее развитие вычислительной специализации процессоров привело к появлению так называемых матричных процессоров, выполняющих операции линейной алгебры и быстрое преобразование Фурье.

43

ЦП – одно из важнейших устройств, определяющих производительность компьютера или его быстродействие. Можно выделить четыре типа оценки быстродействия компьютера:

1)пиковая, или регистр-регистр (R-R), – предельная производительность ЦП, не учитывающая время обращения к ОП;

2)номинальная (с учетом времени обращения к ОП (ЦП + ОП));

3)системная (дополнительно учитывающая системное программное обеспечение, обеспечивающее работу ЭВМ);

4)эксплуатационная – скорость выполнения прикладных программ (в зависимости от области применения (расчетные, экономические или другие задачи) используют разнообразные статистики (смеси), учитывающие среднее количество машинных команд, используемых в тех или иных приложениях; время же выполнения команд точно измеряется).

При оценке быстродействия микропроцессоров используются следующие характеристики:

MHz – миллион тактов задающего генератора в секунду; MIPS – миллион инструкций (микрокоманд) в секунду; MFLOPS – миллион операций с плавающей точкой в секунду; MOPS – миллион операций в секунду;

MISPS – миллион логических выводов в секунду (для искусственного интеллекта);

SPEC mark 89 – характеристика для оценки быстродействия компьютера, учитывающая время обращения к дисковой памяти;

тесты Донгларра (решение СЛАУ).

Устройства ввода-вывода (УВВ), или периферийные устрой-

ства (ПУ). Такие устройства компьютера используются для вводавывода, подготовки данных и запоминания больших объемов информации.

Отличительная особенность УВВ в том, что они в процессе работы преобразуют форму представления информации, не изменяя

еесодержания. Для пользователя эти устройства представляют информацию в алфавитно-цифровой и графической формах. Для обмена с остальными устройствами компьютера используется множество самых разнообразных кодов, наиболее популярны следующие: ASCII (American Standard Code for Information Interchange), отече-

ственный аналог которого – КОИ-7, КОИ-8 – имеет восемь разрядов, семь из них значащие и один для проверки четности, применя-

44

ется для работы устройств, подключаемых с помощью стандартных телеграфно-телефонных линий; EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code), отечественный аналог ДКОИ – расширенный двоично-кодированный десятичный код для обмена информацией. Девятиразрядный (8 значащих разрядов) код, применяемый фирмой IBM, как правило, предназначен для обмена информацией на магнитных носителях.

Быстрое совершенствование ЦП и ОП компьютера, уменьшение их размеров и постоянное снижение стоимости привели к возрастанию роли УВВ. Так, уже сейчас стоимость УВВ составляет большую часть стоимости компьютера, а их габаритные размеры определяют размеры компьютера. Среди очень большого разнообразия УВВ можно выделить следующие категории.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ). Основная или оперативная память имеет высокую стоимость и ограниченную емкость (в значительной степени из-за высокой стоимости). В то же время использование компьютеров становится все в большей степени связано с накоплением и обработкой больших объемов информации. Потребности прикладных задач многократно превышают технические возможности электронной ОП. Это и явилось одной из причин появления внешних запоминающих устройств большой емкости, которые в то же самое время являются устройствами ввода-вывода информации. В ходе вычислительного процесса ВЗУ осуществляют двухсторонний обмен информацией с ОП, поэтому для них используются те же принципы обмена данными, что и для других внешних устройств. При значительно меньшей удельной стоимости (хранение бита информации) ВЗУ обладают очень большой емкостью (до гига- и терабайт). Относительно низкая стоимость, энергонезависимость и ряд других достоинств значительно расширили сферу применения этих устройств и способствовали их широкому распространению. Они используются и как устройства для хранения общесистемного программного обеспечения, определяющего оперативную работу компьютера (в дисковых операционных системах), и как архивная память компьютеров длительного хранения, эпизодического использования, как личные архивы пользователей и т.п. При этом сами носители информации могут храниться независимо от компьютера и считываться на различных компьютерах, имеющих соответствующие УВВ.

45

В настоящее время в компьютерах различных типов в качестве ВЗУ большой емкости применяются четыре типа накопителей: магнитные, магнитно-оптические, оптические и электронные (флэш-память). Магнитные ВЗУ появились первыми и представляют устройства с записью информации на подвижный магнитный носитель (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Принцип записи на магнитный накопитель

Магнитное запоминание данных осуществляется намагничиванием определенных зон рабочего слоя на движущемся диске или ленте. Эти зоны намагничиваются в одном из двух противоположных направлений при помощи электромагнитной головки, состоящей из легко намагничиваемого сердечника с обмоткой из проводника (см. рис.2.6, а). Когда по обмотке протекает ток, в сердечнике возникает магнитный поток. В зазоре сердечника силовые линии магнитного потока выходят за его границы и намагничивают проходящий под головкой магнитный материал. Если направление то-

46

ка меняется на противоположное, ориентация намагниченности в рабочем слое также меняется на обратную. Данные, записанные таким образом, могут быть считаны, поскольку магнитное поле зон намагниченности простирается за пределы поверхности носителя. При движении носителя сердечник головки пронизывается изменяющимся магнитным потоком, который индуцирует ток в обмотке (см. рис. 2.6, б). Если внимательнее приглядеться к зонам намагниченности и создаваемым ими полям, то видно, что поля в действительности начинаются и заканчиваются в промежутках между этими зонами, т.е. в переходных областях. Поскольку поля препятствуют намагничиванию среды, их называют размагничивающими.

К накопителям этого типа относят накопители на магнитной ленте (НМЛ), накопители на магнитных дисках (НМД) и накопители на магнитных барабанах (НМБ).

НМЛ, построенный по тем же принципам, что и обычный бытовой магнитофон, вошел первым в практику использования как ВЗУ компьютера и относится к накопителям с последовательным доступом. Имеет самую низкую стоимость хранения бита информации, высокую надежность, удобен в эксплуатации. Однако НМЛ имеет очень большое время доступа к необходимой информации, так как для ее поиска необходим последовательный просмотр иногда всей ленты. Для больших магнитофонов время доступа может составлять 4 – 150 с. За время существования НМЛ применялись накопители, использующие два типа магнитной ленты:

1)для больших и малых компьютеров – обычно НМЛ с шириной ленты 12,7 мм;

2)в персональных компьютерах – накопители на компакткассетах (стримеры), в которых удалось добиться значительного увеличения плотности записи, как правило, путем отказа от стартстопного режима работы и перехода к режиму «бегущей» (stream) ленты.

Для первого типа магнитной ленты информация записывается на девяти дорожках, восемь из которых являлись информационными (девятая использовался для проверки четности). Длина ленты зависела от применяемых кассет и ее толщины и могла достигать более 1000 м, емкость более 100 Мбайт. В настоящее время такие НМЛ не используются.

47

Во втором типе магнитная лента не останавливается на каждом блоке данных, а движется непрерывно с постоянной скоростью. Такой режим хорошо согласуется с выгрузкой содержимого диска большой емкости с целью «спасения» (целиком) информации, расположенной на диске. Емкость таких накопителей может достигать сотен гигабайт.

В настоящее время наиболее популярны НМД, которые имеют большую емкость, малое время доступа (от 100 до 10 мс и менее) и невысокую стоимость хранения бита информации. НМД относятся к устройствам с прямым доступом, поскольку время поиска информации практически не зависит от его местонахождения на носителе.

Магнитный диск напоминает грампластинку с нанесенным на нее магнитным материалом. Запись или считывание информации производится по кольцевым или спиральным дорожкам с помощью перемещающихся головок (рис. 2.7).

Для увеличения емкости отдельные диски собираются в пакеты, в которых несколько металлических дисков (изготовленных из легких сплавов) устанавливаются на общую ось. Общий блок головок обеспечивает считывание информации с каждой из поверхностей. Существуют диски с постоянным (не перемещаемым) блоком головок над каждой из дорожек, они обладают очень малым временем доступа. Различают накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД – HDD) и накопители на гибких магнитных дисках (НГМД – FDD). НЖМД имеют металлическую основу, вращаются с высокой скоростью, их считывающие головки находятся на расстоянии десятых долей микрометра от поверхности диска. Они обладают малым временем доступа, большой емкостью и высокой стоимостью.

Поэтому такие диски обычно используются как системные, расширяющие возможности ОП для обеспечения работы операционной системы ее хранения и загрузки, а также для использования в различных прикладных программах. Наиболее популярными в последнее время стали так называемые винчестерские диски (название дисков связано с тем, что имелась некоторая аналогия в параметрах дисков с цифровыми параметрами оружия, выпускаемого известной американской фирмой). В этих устройствах за счет герметизации

48

1200 об/мин, емкость 5 Мбайт, а время доступа – 1 с. К 2000 г. НЖМД стоимостью 150 дол., имел емкость более чем в 16х103 раз, время доступа уменьшилось более чем в 100 раз, стоимость на единицу емкости (1 Мбайт) уменьшилось в 10 млн раз. Плотность записи росла в последнее время (1999 – 2000 гг.), перекрывая даже известный закон Мура (для электронных схем), удваиваясь каждый год, несмотря на предсказываемый, так называемый сверхпарамагнитный предел, когда размеры одного магнитного домена на поверхности дисковых пластин, направление намагниченности которого регистрируется как один бит, станут настолько малыми, что тепловой энергии атомов (при комнатной температуре) будет достаточно, чтобы изменить его направление.

Любой современный НЖМД состоит из четырех основных частей:

носителя; головки чтения-записи; позиционера; контроллера.

Носитель – пакет дисковых пластин, вращающихся на одной оси, на смену дюралюминиевым пластинам (дискам) пришли диски из керамики и стекла. На поверхность диска наносится слой ферромагнетика (в современных дисках – оксид хрома), покрытый сверху тонким слоем алмазоподобного графита (для защиты от механических повреждений). Адресация дисков осуществляется следующим образом – номер диска, цилиндр (набор концентрических дорожек, расположенных на одинаковом удалении от центра вращения), дорожка, сектор (кластер). В современных дисках применяется зоннобитовая запись, имеющая различное количество секторов на дорожках с различным удалением от центра.

Благодаря аэродинамическому эффекту головка чтения-записи «летит» над поверхностью диска под воздействием потока, предварительно очищенного воздуха. У первых винчестерских дисков расстояние между поверхностью диска и головкой равнялось 0,5 мкм, у современных дисков оно достигает 0,07 – 0,05 мкм (что естественно повышает плотность записи и емкость дисков). На смену ферритовым головкам пришли композитные, магниторезистивные, тонкопленочные.

50