Устройства хранения информации

Память ЭВМ состоит из двоичных запоминающих элементов — битов (англ. Binary Digit — двоичная цифра). В обычных ЭВМ применяются ячейки, состоящие из четырех последовательно расположенных байтов (из слов), но в ранних ЭВМ используются одно- или двухбайтовые ячейки (полуслова), а в некоторых супер-ЭВМ — восьмибайтовые ячейки.

В каждую ячейку памяти может быть записано только одно число либо одна команда. Двоичный код хранится в ячейке до тех пор, пока в нее не будет записан новый двоичный код или пока не будет обесточена машина. Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых ЭВМ представлено на рис. 2.16.

64-разрядный процессор

32-разрядный процессор

16-разрядный

процессор

1

3

5

7

1

3

5

7

2

4

6

8

2

4

6

8

Байт 0

Байт 1

Байт 2

Байт 3

Байт 4

Байт 5

Байт 6

Байт 7

Полуслово

Полуслово

Полуслово

Полуслово

Слово

Слово

Двойное слово

Рис. 2.16. Разбиение памяти на слова в ПЭВМ

В современных компьютерах принята 32-разрядная адресация, а это означает, что независимых адресов всего может быть 232. Таким образом, возможна непосредственная адресация к полю памяти размером 232 = 4 294 967 296 байт (4,3 Гбайта).

Различают устройства хранения информации, реализованные в виде электронных схем, и накопители информации, с помощью которых данные записываются на какой-либо носитель (рис. 2.17), например магнитный или оптический (ранее использовались бумажные носители — перфокарты и перфоленты).

Внешняя память располагается на магнитных или оптических дисках. Запись и считывание информации при работе с внешней памятью происходят медленнее, чем при работе с ЯАМ, зато внешняя память имеет большой объем и содержимое ее не меняется при выключении компьютера.

Энергонезависимая память представлена микросхемой памяти, в которую записана информация о типе аппаратуры компью-

Электронные схемы Накопители информации

Оперативное Магнитные Магнитные

запоминающее устройство (ОЗУ, RAM) или оперативная память

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM)

диски ленты

Гибкие Жесткие

магнитные магнитные диски диски

(дискеты) (винчестеры)

Оптические Магнитооптические диски диски

Простые С возможностью (CD) записи

(CD-RW)

Рис. 2.17. Классификация накопителей и устройств

хранения информации

тера и его настройке. Настройка ПК может меняться по желанию пользователя, поэтому энергонезависимая память позволяет не только считывать из нее данные, но и записывать. По существу, здесь используется обычная микросхема RAM, но изготовленная по особой CMOS-технологии, обеспечивающей малое потребление энергии при работе этого устройства, поэтому энергонезависимую память часто называют CMOS-памятью. По CMOS-технологии изготавливают все микросхемы для портативных ПК, чтобы обеспечить длительную работу их батарей питания. Микросхема энергонезависимой памяти подключается к батарейке, что сохраняет записанные в микросхеме данные при выключении ПК из сети.

Устройства, представляющие собой электронные схемы, отличаются небольшим временем доступа к данным, но не позволяют хранить большие объемы информации. Накопители информации, наоборот, дают возможность хранить большие объемы информации, но время ее записи и считывания велико, поэтому эффективная работа на компьютере возможна только при совместном использовании накопителей информации и устройств хранения, реализованных в виде электронных схем.

Микросхема (чип) BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода). Это встроенное в компьютер программное обеспечение, которое доступно без обращения к диску; совокупность программ, предназначенных для автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.

Роль BIOS двоякая: с одной стороны, это неотъемлемый элемент аппаратуры (Hardware), а с другой стороны, важный модуль любой операционной системы (Software). BIOS содержит код, необходимый для управления клавиатурой, видеокартой, дисками, портами и другими устройствами.

Обычно BIOS размещается в микросхеме ПЗУ (ROM), расположенной на материнской плате компьютера (поэтому данный чип часто называют ROM BIOS). Эта технология позволяет BIOS всегда быть доступным, несмотря на повреждения, например, дисковой системы и позволяет компьютеру самостоятельно загружаться. Поскольку доступ к RAM (оперативной памяти) осуществляется значительно быстрее, чем к ROM, производители компьютеров создают системы таким образом, чтобы при включении компьютера выполнялось копирование BIOS из ROM в оперативную память.

Постоянная память предназначена для хранения неизменной информации, которая записывается в микросхему постоянной памяти заводом — изготовителем компьютера. В состав BIOS входят программа самотестирования компьютера при его включении, драйверы некоторых устройств (монитора, дисковых накопителей информации и пр.), а также программа загрузки операционной системы с дисковых устройств. В настоящее время почти все материнские платы комплектуются микросхемой для постоянного хранения начального исполняемого кода загрузки комьютера FLASH BIOS, который в любой момент может быть перезаписан в микросхеме ROM с помощью специальной программы.

Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ). Данное устройство делится на оперативное запоминающее устройство, постоянное запоминающее устройство и кэш-память.

Внешняя память предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность ее содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. Дополнительными устройствами внешней памяти являются:

  • • FDD (Floppy Disk Drive) — накопитель на гибких магнитных дисках, емкость — 1,44 Мб;
  • • CD-ROM и R/W — накопитель на лазерных компакт-дисках, емкость — 800 Мб;
  • • DVD-ROM и R/W — накопитель на лазерных DVD-дисках, емкость — до 16 Гб;
  • • HDD (Hard Disk Drive) — накопитель на жестких магнитных дисках, емкость — более 100 Гб;
  • • FLASH — накопитель на микросхемах памяти, емкость — до 8 Гб.

Память компьютера должна состоять из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково доступны для других устройств компьютера.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, англ. Random Access Memory, RAM) — предназначено для записи, считывания и временного хранения программ (системных и прикладных), исходных данных, промежуточных и окончательных результатов.

При выключении компьютера информация в ОЗУ стирается. В современных компьютерах объем памяти обычно составляет от 128 Мб до 2 Гб. Объем памяти — важная характеристика компьютера, она влияет на скорость работы компьютера и на работоспособность программ. Современные прикладные программы часто требуют для выполнения более 4 Мбайт памяти, в противном случае программа просто не сможет работать. Часть ОЗУ, называемая «видеопамять», содержит данные, соответствующие текущему изображению на экране.

Конструктивно элементы оперативной памяти выполняются в виде микросхем типа DIP (Dual In-line Package — двухрядное расположение выводов) или в виде модулей памяти типа SIP (Single In-line Package — однорядное расположение выводов).

Персональный компьютер содержит оперативную память четырех типов: модули SIMM, применяемые в устаревших компьютерах на процессорах 386, 486 и Pentium; более совершенные модули DIMM, используемые в компьютерах от Pentium II и Celeron до Pentium III и Athlon; более современные модули DDR DIMM и МММ, которые используются с новыми процессорами и материнскими платами. Оперативное запоминающее устройство строится на микросхемах памяти с произвольным доступом к любой ячейке. Оперативная память бывает либо статической (на триггерах) и называется SRAM (Static RAM), либо динамической (на основе конденсаторных ячеек) — DRAM (Dynamic RAM).

В статических ОЗУ в качестве ЭП используется статический триггер, который способен сохранять состояние 0 или 1 неограниченно долго (при включенном ПК). Динамические ОЗУ строятся на конденсаторах, реализованных внутри кристалла кремния. Динамические ЭП (конденсаторы) с течением времени са-моразряжаются и записанная информация теряется, поэтому динамическим ЭП требуется периодическое восстановление заряда — регенерация. Во время регенерации запись новой информации должна быть запрещена.

По сравнению со статическими динамические ОЗУ имеют более высокую удельную емкость и меньшую стоимость, но большее энергопотребление и меньшее быстродействие. Оперативные запоминающие устройства имеют модульную структуру. Увеличение емкости ОЗУ производится установкой дополнительных модулей. Время доступа к модулям DRAM составляет 60—70 нс.

Современные компьютеры имеют ОЗУ, составляющую 512—1024 Мбайт. Процессор компьютера может работать только с данными, которые находятся в оперативной памяти. Данные с диска для обработки считываются в оперативную память. Основные фирмы — производители памяти — IBM, Seagate, Maxtor, Western, Digital, Fujitsi и Kingston. Доля продаж памяти DIMM значительно снижается, уступая место модулям памяти DDR DIMM (256 и 512 Мбайт) или RIMM (128 и 256 Мбайт).

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, англ. Real Only Memory — ROM — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не требуют изменения.

Модули и кассеты ПЗУ имеют емкость, как правило, не превышающую нескольких сотен килобайт. Структурно основная память состоит из миллионов отдельных ячеек памяти емкостью 1 байт каждая. Общая емкость основной памяти современных ПК обычно лежит в пределах от 1 до 32 Мбайт.

Перепрограммируемая постоянная память (FLASH Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

Регистровая кэш-память — высокоскоростная память, являющаяся буфером между оперативной памятью и микропроцессором, позволяющая увеличивать скорость выполнения операций. Создавать ее целесообразно в персональном компьютере с тактовой частотой задающего генератора 40 МГц и более. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название кэш (англ, cache — тайник). По принципу записи результатов различают два типа кэш-памяти:

• с обратной записью — результаты операций прежде, чем записать их ОЗУ, фиксируются в кэш-памяти, а затем кон-

троллер кэш-памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в ОЗУ;

• со сквозной записью — результаты операций одновременно параллельно записываются и в кэш-память, и в ОЗУ.

Для ускорения операций с основной памятью используется регистровая кэш-память внутри микропроцессора (кэш-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (кэш-память второго уровня). Для ускорения операций с дисковой памятью организуется кэш-память на ячейках электронной памяти.

Микропроцессоры Pentium и Pentium Pro имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для команд, причем если у Pentium емкость этой памяти небольшая — по 8 Кбайт, то у Pentium Pro она достигает 256—512 Кбайт. Следует иметь в виду, что для всех МП может использоваться дополнительная кэш-память, размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких мегабайтов.

Основная цель применения кэш-памяти — компенсация разницы в скорости обработки информации процессором (его регистры самые быстродействующие) и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. Кэш-память не доступна для пользователя, используется компьютером автоматически. Следует иметь в виду, что наличие кэш-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производительность ПК примерно на 20 %.

Основная память компьютера делится на две логические области: непосредственно адресуемую память, занимающую первые 1024 Кбайта ячеек с адресами от 0 до 1024 Кбайт — 1, и расширенную память, доступ к ячейкам которой возможен при использовании специальных программ-драйверов.

Стандартной памятью (Conventional Memory Area — СМА) называется непосредственно адресуемая память в диапазоне от 0 до 640 Кбайт. Непосредственно адресуемая память в диапазоне адресов от 640 до 1024 Кбайт называется верхней памятью (UMA — Upper Memory Area). Верхняя память зарезервирована для памяти монитора (видеопамять) и постоянного запоминающего устройства. Однако обычно в ней остаются свободные участки — «окна», которые могут быть использованы с помощью диспетчера памяти в качестве оперативной памяти общего назначения.

Расширенная память — память с адресами 1024 Кбайта и выше. Непосредственный доступ к этой памяти возможен только в защищенном режиме работы микропроцессора. В реальном режиме имеются два способа доступа к этой памяти, но только при использовании драйверов: по спецификациям XMS (extended Memory Specification) и EMS (Expanded Memory Specification).

Доступ к расширенной памяти согласно спецификации XMS организуется при использовании драйверов ХММ (extended Memory Manager). Эту память часто называют дополнительной, учитывая, что в первых моделях персональных компьютеров эта память размещалась на отдельных дополнительных платах. Спецификация EMS — более ранняя, доступ в ней реализуется путем отображения полей Expanded Memory в определенную область верхней памяти. При этом хранится не обрабатываемая информация, а лишь адреса, обеспечивающие доступ к этой информации. Память, организуемая по спецификации EMS, носит название отображаемой.

Расширенная память может быть использована главным образом для хранения данных и некоторых программ ОС. Расширенную память часто применяют для организации виртуальных (электронных) дисков.

Видеопамять (VRAM) — разновидность оперативного ОЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и монитору, поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме того, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

Порты устройств представляют собой электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

Системная (материнская) плата компьютера. Материнская плата — основная плата ПК (рис. 2.18), на которой размещаются:

  • • процессор (микросхема, выполняющая большинство вычислительных операций);
  • • микропроцессорный комплект (чипсет) — набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера;
  • • три шины (наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера);
  • • оперативная память (ОЗУ) — набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных;
  • • ПЗУ — микросхема, предназначенная для длительного хранения данных;
  • • разъемы (слоты) для подключения дополнительных устройств;
  • • средства мониторинга состояния системной платы.

Зоны внешних разъемов Слоты плат

встроенной периферии расширения

Рис. 2.18. Системная плата компьютера

Синхронизация и разгон системной платы. Основной тактовый генератор системной платы вырабатывает высокостабильные импульсы опорной частоты, используемой для синхронизации процессора, памяти и шин ввода-вывода. Поскольку быстродействие этих подсистем существенно различается, каждая из них может синхронизироваться со своей частотой. В чипсетах асинхронного типа частоты относительно независимы, что открывает возможность для оптимизации производительности и разгона. Наиболее частый объект для разгона — центральный процессор. Вполне очевидно, что производительность конкретного процессора зависит от тактовой частоты ядра и частоты системной шины. Первая составляющая определяет темп обработки, а вторая — скорость доставки инструкций и данных. Максимально допустимая тактовая частота определяется задержками между различными сигналами и рассеиваемой мощностью процессора.

Кэш-память — память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия (время обращения к МПП, т. е. время, необходимое на поиск, запись или считывание информации из этой памяти, измеряется наносекундами). Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации в ближайшие такты работы машины, непосредственно участвующей в вычислениях.

Процессор. Это центральная часть любого современного компьютера, управляющая остальными устройствами. В нем расположены арифметико-логическое устройство, устройство управления и регистры для временного хранения информации. Процессор считывает данные из ОЗУ (оперативной памяти) компьютера, туда же он пересылает результат действия над этими данными. Процессор может выполнять следующие операции над двоичными числами: арифметические, логические, операции сравнения, операции с памятью и операции по передаче управления.

Процессор выполняет все действия только по программе, т. е. определенную последовательность команд. Большинство ошибок компьютера во время работы связано именно с ошибками программиста, который не сумел предусмотреть все возможные ситуации.

Процессор выполняет следующие функции:

  • • обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
  • • программное управление работой устройств компьютера.

Скорость работы процессора определяется его тактовой частотой. Чем она больше, тем более быстродействующий процессор. Современные процессоры работают на частотах более 3 ГГц (табл. 2.3).

Каждый конкретный процессор может работать только с определенным количеством оперативной памяти. Максимальное количество памяти, которое процессор может обслужить, назы-

Таблица 2.3. Фирмы-производители процессоров

Фирма

Характеристики

AMD: «Athlon»

Тактовые частоты: 1000...3500 МГц.

Кэш 1-го уровня: 128 Кб (64 Кб для инструкций и для данных).

Кэш 2-го уровня: 512... 1024 Кб.

Технология: 0,18 мкм

Intel: «Celeron»

Тактовые частоты: 1700—2600 МГц. Стандартная частота шины: 66 МГц.

Кэш 1-го уровня: 32 Кб (16 Кб для инструкций и для данных).

Кэш 2-го уровня: 128—256 Кб.

Технология: 0,18 мкм

вается адресным пространством процессора и является важной характеристикой компьютера. Определяется адресное пространство разрядностью адресной шины.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >