Лекция 2

3. Назначение и основные представления

о работе функциональных блоков компьютера

Запоминающее устройство (ЗУ) – это один из основных функциональных узлов любого компьютера.

В современных компьютерах ЗУ представлено двумя видами памяти:

• о с н о в н о й ( оперативной) памятью (ОП);

• в н е ш н е й (ВП).

3.1. Оперативная память

Оперативная память предназначена для хранения текущей информации. В ней хранятся все служебные и прикладные программы, обслуживающие вычислительный процесс, исходные, промежуточные данные и результат вычислений.

Оперативная память энергозависима. Это значит, что при отключении энергопитания компьютера вся информация в оперативной памяти теряется.

Эта память представлена множеством микросхем (БИС), в которых расположено большое количество двухпозиционных элементов (триггеров), исчисляемое десятками и сотнями миллионов. Двухпозиционный элемент - это элемент, который может находиться только в одном из двух возможных состояний. Это базовый элемент всех современных компьютеров. Условились одно состояние элемента обозначать как «0», а другое как «1». Такие элементы очень надежны и просты в реализации. С помощью двухпозиционных элементов представляется вся информация в компьютере. В этом случае любая информация текстовая или числовая изображается в виде комбинаций «0» и «1», то есть кодируется или, как еще говорят, представляется в машинных кодах. Этот код еще называют двоичным кодом, поскольку в нем используется два символа.

Любая информация имеет размер или свое количество, то есть ее может быть мало или много. Чтобы измерять информацию, была принята единица ее измерения.

За единицу измерения количества информации принято одно из состояний двухпозиционного элемента. Эту единицу назвали б и т. Информация о том, что двухпозиционный элемент находится в состоянии «0» или «1» и есть информация размером в один бит. В оперативной памяти все элементы информации ( символы, числа ) хранятся в я ч е й к а х. Ячейка – это небольшой участок памяти. Ячейки бывают различного размера в зависимости от вида хранимой в них информации. Каждая ячейка имеет свой адрес. Адресом ячейки является ее порядковый номер. За минимальный размер ячейки принят ее размер, определяемый восемью рядом расположенными двухпозиционными элементами. Ячейку такого размера принято называть один байт. На рис. 3.1 представлена схема такой ячейки.

1 2 3 4 5 6 7 8

1

0

0

1

1

1

0

1

1. байт

Рис. 3.1 Ячейка размером в 1 байт

Такая ячейка может хранить 2 = 256 вариантов информации. То есть 256 различных комбинаций 0 и 1. Количеством таких ячеек принято измерять размер памяти или как принято говорить объем памяти. Объем памяти в один байт – минимальная единица ее измерения. Но это очень мелкая единица, поэтому были приняты другие более крупные единицы.

1 Кбайт = 2байт = 1024 байт;

1 Мбайт = 2Кбайт = 1024 Кбайт = 2 байт;

1 Гбайт = 2Мбайт = 1024 Мбайт = 2 байт.

1 Тбайт = 2Гбайт = 1024 Гбайт = 2⁴⁰ байт.

Следует помнить, что оперативная память хранит только текущую информацию. При отключении компьютера информация теряется. Сама оперативная память имеет несколько участков (зон).

Основной объем памяти отведен под участок, в котором можно без каких-либо ограничений считывать и записывать информацию. Этот участок называют о п е р а т и в н ы м з а п о м и н а ю щ и м у с т р о й с т в о м (ОЗУ). Он имеет произвольный доступ. Такой доступ позволяет получать данные по любым адресам и в любом порядке.

Другим участком оперативной памяти является п о с т о я н н о е з а п о м и н а ю щ е е у с т р о й с т в о (ПЗУ). Его содержимое можно только читать и никакая работающая программа не сможет его изменить. Эта информация всегда неизменна и постоянно доступна, в том числе и в момент включения компьютера. В ПЗУ размещена программа загрузки компьютера в момент его включения. Под з а г р у з к о й понимают создание копий различных программ или данных в оперативной памяти, оригиналы которых размещены на каких-либо внешних носителях информации (винчестер, дискеты, компакт- диски и др. ). В ПЗУ содержится минимум необходимых программ, которые заносятся заводом-изготовителем компьютера. К ним относятся программы тестирования важнейших функциональных узлов в момент включения компьютера (память, клавиатура, дисплей и др.). Это программы системы ввода/вывода информации BIOS ( Basic Input Output System ). В последнее время появилась возможность самому потребителю заносить необходимую информацию в ПЗУ, поместив «чистую» микросхему ПЗУ в специальное устройство называемое п р о г р а м м а т о р о м. В настоящее время появились такие микросхемы ПЗУ, которые позволяют их перепрограммировать по несколько раз. Они получили название ППЗУ ( п е р е п р о г р а м м и р у е м ы е п о с т о я н н ы е з а п о м и н а ю щ и е у с т р о й с т в а ). Одной из последних конструкций ППЗУ является ф л э ш - п а м я т ь.

По способу реализации двухпозиционных элементов различают память:

• с т а т и ч е с к у ю,

• д и н а м и ч е с к у ю.

Статическая память реализуется на базе транзисторных двухпозиционных элементах т р и г г е р а х. Эти элементы имеют устойчивое состояние и могут находиться в нем сколь угодно долго.

Динамическая память реализуются на базе двухпозиционных элементов, в основе которых используются конденсаторы. Логической единице соответствует заряженный конденсатор, а логическому нулю – незаряженный. Существенным недостатком динамической памяти является постепенный разряд конденсаторов через внешние цепи, что ведет к потере информации. Чтобы это не происходило конденсаторы динамической памяти необходимо периодически подзаряжать. Такой процесс называют р е г е н е р а ц и е й ОЗУ.

В настоящее время все большее предпочтение отдается динамической памяти, как более простой в изготовлении, занимающей меньше места и более дешевой. Следует отметить, что технология производства полупроводниковой памяти постоянно совершенствуется. Это порождает появление новых микросхем памяти. В современных компьютерах объем оперативной памяти достигает нескольких десятков Гбайт.

3.2. Кэш – память

Существует противоречие между быстродействующей, но более дорогой статической памятью и худшей по характеристикам, но более дешевой динамической памятью. Разумным компромиссом для построения экономичных и производительных систем является использование промежуточной к э ш - п а м я т и. Этот вид памяти появился сравнительно недавно. Начиная с 486-го процессора, все модели компьютеров оснащаются кэш – памятью.

Кэш представляет собой «быструю» статическую память небольшого объема, которая служит для ускорения доступа к «медленной» динамической памяти.

Основная идея работы кэш – памяти заключается в том, что извлеченные из ОЗУ данные или команды программы, копируются в кэш. Одновременно в специальном каталоге адресов, который находится в той же самой памяти, запоминается адрес, откуда была извлечена информация. Если данные потребуются повторно, то уже не надо будет терять время на обращение к ОЗУ. Их можно получить из кэш – памяти значительно быстрее.

Поскольку объем кэш – памяти существенно меньше объема оперативной памяти, то контроллер кэш – памяти внимательно следит за тем, какие данные следует сохранять, а какие необходимо заменять. Удаляется та информация, которая используется реже или совсем не используется. Контроллер также обеспечивает своевременную замену измененных данных из кэш – памяти обратно в ОЗУ.

В современных компьютерах кэш – память реализуется на двух уровнях:

– первый,

– второй.

Первый уровень памяти встроен непосредственно в процессор, а второй устанавливается на системной плате. Как и для ОЗУ увеличение объема кэш – памяти повышает эффективность работы компьютера.

3.3 Внешняя память

Внешняя память – предназначена для долговременного хранения большого объема информации. Это энергонезависимая память, так как в ней хранится информация независимо от того подключен или нет компьютер к источнику электрического питания. В качестве внешней памяти компьютера используются различные диски, на которых хранится информация. Их и называют носителями информации.

В настоящее время используется три вида носителей информации:

• магнитные диски,

• оптические диски,

• магнитооптические диски.

3.3.1. Магнитные диски

Магнитные диски – это диски, покрытые с двух сторон тонкой пленкой из магниточуствительного материала. Поверхности диска, на которые наносится информация, называются рабочими поверхностями. Конструктивно магнитные диски выполняются двух видов:

• жесткие,

• гибкие.

Жесткие магнитные диски

Жесткие диски выполнены из твердого, но легкого металлического сплава. На жестких дисках выполнена внешняя память компьютера.

Она представлена устройством, называемым винчестер. Винчестер размещается в системном блоке компьютера и представляет собой несколько жестких магнитных дисков, закрепленных на общей оси. Вся эта конструкция помещается в корпус, называемый гермоблоком. Вопреки распространенному мнению этот корпус не является герметичным и сообщается с окружающим воздухом через специальный фильтр. Это очень важный момент, так как при полной его герметичности любой перепад давления, например перевозка винчестера в грузовом отсеке самолета, привела бы к деформации корпуса винчестера и порче прецизионного механизма. Задача этого фильтра состоит в задерживании твердых частиц, находящихся в воздухе и недопущении их попадания вовнутрь гермоблока. Другой фильтр, располагаемый внутри корпуса, улавливает частицы, отлетающие от поверхности диска.

Информация на магнитных дисках размещается вдоль концентрических окружностей, называемых дорожками. Каждая дорожка делится на определенное количество участков, называемых секторами. Сектор хранит минимально доступное количество информации. Объем информации, размещаемой в секторе, составляет 512 байт. Один или несколько секторов, расположенных подряд, образуют кластер. Кластер – это минимальная единица информации, которая может быть записана или считана с диска.

В заголовках дорожек и секторов записаны их характеристики (номера, размер и др.), а после каждого сектора помещена контрольная сумма всех его данных. Сектора на дорожках не обязательно номеруются по порядку. Широко известен способ, когда сектора чередуются на дорожках не последовательно, а в порядке 1-4-7-2-5-8-3-6-9. Делается это для того, чтобы компьютер успевал получить все данные до подхода следующего по порядковому номеру сектора. Доступ к информации на магнитном диске определяется четырьмя координатами:

• номер стороны диска,

• номер дорожки,

• номер сектора,

• номер байта.

Такой доступ называют доступом на физическом уровне. На диске информация хранится в виде файлов. Файл – это любая информация, имеющая имя и размещенная на носителе информации. При поиске нужной информации пользователь не указывает ее координаты, а дает ее имя. По имени файла операционная система компьютера ищет его физическое место на диске, которое указывается в специальных служебных таблицах. Следует иметь в виду, что сектора с содержанием какого – либо файла совсем не обязательно располагаются рядом в одном месте диска. При записи система активно использует свободные места. В результате отдельные части файла могут располагаться в различных частях диска. Операцией перемещения головок управляет контроллер накопителя.

В винчестере используются диски одного диаметра и располагаются друг под другом. Дорожки одного диаметра на различных дисках образуют цилиндр. Количество цилиндров, число дорожек на нем, а также количество секторов на дорожке определяет формат диска. Формат винчестера задается при его конструировании и никакому изменению не подлежит. Форматирование (разметка) винчестера всегда выполняется на заводе–изготовителе с использованием высокоточного стенда. Устройство диска и размещение дорожек на нем приведено на рис. 3.1

дорожки

Магнитные

головки

Рабочие поверхности

Рис.3.1 Схема разметки диска

Перед записью информации на вновь изготовленный магнитный диск его следует отформатировать, то есть разбить на дорожки и секторы. Это делается для того, чтобы сделать дисковую поверхность адресуемой. При форматировании вся дисковая поверхность разделяется на две области:

• системной области,

• области данных.

В системной области находятся:

• загрузочная запись, в которой находятся системный загрузчик и блок параметров диска, определяющий формат диска;

• таблица размещения файлов (File Allocation Table – FAT), которая представляет собой карту области данных. В этой карте записывается состояние каждого кластера и устанавливается цепочка кластеров, занимаемых одним файлом. Файл занимает целое число кластеров, при этом последний кластер может быть задействован не полностью. Каждый элемент FAT содержит либо номер следующего кластера, принадлежащего одному файлу, либо специальный код:

• 0 – кластер свободен,

• 65521 – кластер дефектный,

• 65522 – кластер последний в файле.