Основные составляющие архитектуры ЭВМ

АРХИТЕКТУРА ЭВМ

3.1. Фон Неймановская архитектура ЭВМ.

Джон фон Нейман выделил и детально описал пять ключевых компонентов того, что ныне называют «архитектурой фон Неймана».

Компьютер для обеспечения критериев эффективности и универсальности должен включать в себя следующие компоненты:

- центральное арифметико-логическое устройство (АЛУ);

- центральное устройство управления (УУ), управляющее операциями;

- запоминающее устройство (ЗУ), или память;

- устройства ввода информации;

- устройства выводы информации.

По фон Нейману эта система должна работать с двоичными числами, быть электронной (а не механической) и выполнять операции последовательно, одну за другой. Принципы фон Неймана стали общепринятыми только потому, что широко применялись все время. Они положены в основу как больших ЭВМ первых поколений, так и более поздних мини-, микро-ЭВМ и персональных компьютеров (ПК).

Рис.3.1. Архитектура фон Неймана (классическая блок-схема вычислительной машины)

Принято считать, что машине с архитектурой фон Неймана присущи следующие характеристики:

- единственная последовательно адресуемая память (программа и данные хранятся в единой памяти, адреса областей которой составляют последовательность 0, 1, 2,…);

- память является линейной (вектор слов);

- отсутствуют явные различия между командами и данными (они идентифицируются неявным способом при выполнении операций, что дает возможность обращаться с командами как с данными);

- назначение данных не является их неотъемлемой составной частью (назначение данных определяется логикой работы программы.)

Рассмотрим принцип функционирования ВМ по архитектуре фон Неймана (см. рис.3.1.). Программы и данные вводятся в ЗУ через устройство ввода и размещаются в последовательных ячейках ЗУ. Каждая ячейка имеет свой порядковый номер, называемый адресом ячейки. В ячейке запоминается (команда или данные). Команды располагаются в последовательных ячейках. Последовательность команд образует программу. Каждая команда кодируется числовым кодом. Код команды состоит из двух частей: КО – код операции и код(ы) адреса(адресов).

На рис.3.1. показан код трех адресной команды, так как по логической структуре это наиболее соответствует структуре арифметических операций (1-й и 2-ой операнды, результат). В ЗУ могут оперативно запоминаться промежуточные и окончательные результаты вычислений (обработки данных).

Арифметико-логическое устройство выполняет над введенными данными процессы обработки (соответствующие кодам операции). Причем выполняются, в основном, операции суммирования и логические операции (т.е. все арифметические операции выполняются посредством операций алгебраического сложения над числами, поставленными в соответствующих специальных кодах). (это вы рассмотрите на практике).

Полученные результаты из ЗУ или непосредственно из АЛУ выводятся посредством устройства вывода (например, устройства печати принтера).

Главным устройством является устройство управления (УУ). Между устройством управления и компонентами компьютера существуют прямые и обратные каналы связи. По прямой связи от УУ управляемому объекту (компоненту) подаются указания об управляющих воздействиях, а по обратной связи посылается информация о текущем состоянии объекта управления (двусторонние стрелки).

УУ со всеми компонентами имеет двунаправленную связь для осуществления обмена управляющей информацией. Именно это и позволяет ему все время быть в курсе происходящего в каждом устройстве событий и осуществлять принцип программного управления (с помощью ЗУ).

По начальному адресу программы (например, адрес i) находится указанная ячейка и считанная из нее команда посылается в УУ (т.к. УУ определяет операцию и управляет процессом ее выполнения).

Пример. Если в ячейке с адресом i находится команда сложения чисел a и b, и полученная сумма должна запомниться в определенной пустой ячейке ЗУ. Допустим, что операнды a и b находятся в ячейках соответственно с адресами 0100 и 0101, код операции сложения 01, а сумма должна записаться в ячейку с адресом 0200. Тогда код команды в ячейке i будет иметь следующий вид.

<i> - 01 0100 0101 0200

Код команды 01 0100 0101 0200 поступает из ЗУ в УУ. Далее дешифруется часть кода команды – код операции 01. В результате УУ определяет, какая операция будет выполняться и всем компонентам машины, участвующим в ее реализации, по каналам прямой связи посылает соответствующую управляющую информацию. После получения от всех компонент ответной информации об их готовности к выполнению операции в УУ выделяется код адреса первого операнда, т.е. «0100», который посылается в ЗУ. В ЗУ находится ячейка с адресом 0100 и его содержимое посылается (а) пересылается в АЛУ. Далее точно также их УУ код адреса второго операнда посылается в ЗУ и содержимое 0101 (b) пересылается в АЛУ. В АЛУ образуется сумма (a+b).

Получив об этом информацию, УУ выделяет последний код адреса 0200 и посылает его в ЗУ. Как только в ЗУ находится ячейка с этим адресом, об этом извещается УУ, которое в АЛУ посылает управляющую информацию о посылке суммы (a+b) в ЗУ. Таким образом, в ячейке 0200 оказывается (a+b).

К этому моменту содержимое специального счетчика УУ (так называемого счетчика команд (СЧ), обеспечивающего выполнение соответствующей последовательности команд) увеличивается на единицу (СЧ=i+1). Это новый адрес (адрес подлежащей выполнению очередной команды) посылается в ЗУ и начинается процесс выполнения следующей команды, находящейся в ячейке ЗУ с адресом i+1.

Если выполняется команда безусловной передачи управления другой команде программы, находящейся по адресу, например, i+k, то в адресной части выполняемой (текущей) команды будет находиться код адреса (i+k), который будет занесен в указанный выше СЧ. С этого момента машина начинает выполнять ту часть программы, которая расположена в области ЗУ, начиная с ячейки с адресом (i+k).

Если же должна выполняться команда условной передачи управления, то адрес (i+k) заносится в СЧ только в том случае, когда выполняется поставленное условие. В противном случае, последовательный процесс выполнения программы не нарушается.

Процесс работы фон Неймановской архитектуры очень упрощен и понятия сильно обобщены. На самом деле происходят более сложные процессы, все они по времени строго синхронизируются и в определенной степени совмещаются. Однако алгоритм функционирования в общих чертах именно таков.

Современные компьютеры отличаются от выше приведенного. В частности АЛУ, УУ и сверхбыстродействующий блок оперативной памяти объедены в центральный процессор. Процесс выполнения программ может прерываться для выполнения других неотложных действий, связанных с поступившими сигналами от внешних устройств и иных устройств и блоков компьютера – сигналами прерываний. Многие ВМ сейчас выполняют параллельную обработку данных на нескольких процессорах. Список можно продолжить. Тем не менее, современные ВМ в общих чертах соответствуют основным принципам, заложенным фон Нейманом.

3.2. Структура персонального компьютера.

Рассмотрим состав и назначение основных блоков ПК (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Основные блоки ПК

Микропроцессор (МП) – это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков ПК и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав МП входят:

Устройство управления (УУ) – формирует и подает во вссе блоки ПК в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы), обусловленные спецификой выполняемой операции; формирует адреса ячеек памяти, используемых при выполнении операции, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ. Опорную последовательность импульсов УУ получает от генератора тактовых импульсов.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией (в некоторых моделях ПК для ускорения операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор)

Микропроцессорная память (МПП) – служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы ЭВМ. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия ЭВМ, ибо основная память (ОП) не всегда обеспечивает необходимую скорость записи, поиска и считывания информации. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины (в отличие от ячеек ОП, имеющих стандартную длину 1 байт и более низкое быстродействие)

Интерфейсная система микропроцессора – реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК; включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные заполняющие регистры и схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной.

Интерфейс – совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.

Порт ввода-вывода (I\O port) – это аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к МП другие устройства ПК.

Генератор тактовых импульсов – генерирует последовательность электрических импульсов. Частота генератора тактовых импульсов определяет тактовую частоту ЭВМ и является основной характеристикой ПК, во многом определяя скорость его работы, ибо каждая операция в ЭВМ выполняется за определенное количество тактов.

Системная шина – это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех устройств между собой.

Системная шина включает в себя:

- шина данных, содержит провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;

- шина адреса включает провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства.

- шина управления содержит провода и схемы сопряжения для параллельной передачи инструкций (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки ПК

- шина питания, имеет провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.

Все блоки через соответствующие унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется непосредственно или через дополнительную микросхему – контроллер шины, формирующий основные сигналы управления.

Основная память – предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программой и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменять информацию в ПЗУ нельзя, только перепрошить BIOS).

Главным достоинством оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячейке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка ОЗУ следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

Внешняя память – относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может потребоваться для решения задач. Например, во внешней памяти хранится программное обеспечение ПК.

Наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестком (НЖМД) и гибком (НГМД) магнитных дисках. Назначение этих накопителей – хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу ОЗУ.

Различаются НЖМД и НГМД конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывание информации. В качестве устройств внешней памяти используются также ЗУ на кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках (CD-ROM - Compact Disc Read Only Memory) и др.

Источник питания - это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Таймер - это внутримашинные электронные часы, обеспечивающие при необходимости автоматический съем текущего момента времени (год, месяц, число, часы, минуты, секунды и доли секунды). Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключении ЭВМ от сети продолжает работать.

Внешние устройства (ВУ) - важнейшая составляющая ПК (около 50-80% стоимости ПК) ВУ по назначению можно классифицировать на:

- внешние запоминающие устройства (ВЗУ), или внешняя память ПК;

- диалоговые средства пользователя;

- устройства ввода информации;

- устройства вывода информации;

- средства связи и телекоммуникации.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи) и устройства речевого ввода-вывода информации.

Видеомонитор (дисплей) - устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации.

Устройства речевого ввода - это различные микрофонные акустические системы, так называемые "звуковые мыши" со сложным ПО, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и кодировать.

Устройства речевого вывода - это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, присоединенные к компьютеру.

К устройствам ввода информации относятся:

- клавиатура - устройство для ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;

- графические планшеты (дигитайзеры) - устройства для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняется считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК:

- сканер - устройство для автоматического считывания информации с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, режимов, чертежей

- манипуляторы - устройства указания: мышь, джойстик, трекбол (шар в оправе), световое перо и др. для ввода информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;

- сенсорные экраны - устройства для ввода отдельных элементов изображения программ или команд с экрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

- принтеры - печатающие устройства для регистрации информации на бумажный постель;

- графопостроители (плоттеры) - для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель;

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, ЦАП, АЦП и т.п.) для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы, «стыки», мультиплексоры передачи данных, модемы).

Многие из перечисленных выше устройств относятся к условно выделенной группе - средствам мультимедиа.

Дополнительные схемы. К системной шине и к МП наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющими и улучшающими функциональные возможности МП.

Математический сопроцессор используется для ускоренною выполнения операций над двоичными числами с плавающей запятой, для вычисления некоторых математических (например, тригонометрических) функций. Математический сопроцессор имеет свою систем) команд и pa6oтает параллельно (совмещение во времени) с основным МП, но под управлением последнего.

Контроллер прямого доступа к памяти освобождает МП от прямого управления накопителями на магнитных дисках, что существенно повышает быстродействие ПК. Без этого контроллера обмен данными между ВЗУ и ОЗУ осуществляется через регистр МП, а при его наличии данные непосредственно передаются между ВЗУ и ОЗУ минуя МП.

3.3. Корпус

Корпус PC (Case) — не только "упаковочный ящик", но функциональный элемент, защищающий компоненты ПК от внешнего воздействия; это основа для последующего расширения системы. Корпус содержит блок питания.

3.3.1 Блок питания

Компьютерный блок питания - предназначен для снабжения узлов компьютера электрической энергией. В его задачу входит преобразование сетевого напряжения до заданных значений, их стабилизация и защита от незначительных помех питающего напряжения. Основным параметром компьютерного блока питания является максимальная мощность, потребляемая из сети. Компьютерный блок питания для сегодняшней платформы ПК обеспечивает выходные напряжения ±5 ±12 +3,3В.

Раньше для этого применялись силовые трансформаторы. Основное преимущество современных блоков питания перед более ранними трансформаторами - их вес. Вес современных импульсных блоков питания составляет всего 900 г.

Недостатком импульсных блоков питания по сравнению с блоками питания на основе силового трансформатора является небольшой срок их службы.

Однако при электронном способе формирования питающих напряжений энергии, накопленной в фильтрующих конденсаторах, порой достаточно для осуществления непрерывного питания ПК при кратковременном (на 0,5-1 с) падении напряжения в сети.

Хотя абсолютное большинство чипов использует не более 5В, введение линии 12 Вольт дает использовать большую мощность. Импульсный блок питания без 12 Вольт не может выдавать более 210 Вт. Такая мощность нужна для питания жёстких дисков, оптических приводов, вентиляторов, материнских плат, процессоров, видеоадаптеров, звуковых карт.

Существует множество модификаций блоков питания каждого типа. Все они различаются выходными мощностями.

Если блок питания соответствует стандарту АТХ, то здесь разъемы, выглядят несколько по иному.

В модели АТХ предусмотрен новый штекер питания для материнской платы (рис. 3.3).

Рис.3.3. Схема разъема для блока питания стандарта АТХ

Он является одиночным разъемом с ключом и содержит 20 контактов. Его невозможно подключить неправильно, поскольку вместо двух разъемов (Р8 и Р9) используется один. В новом разъеме предусмотрена цепь питания +3,3В, поэтому не нужен стабилизатор напряжения на материнской плате для питания CPU и других схем. Несмотря на то, что напряжение +3,3В в спецификации АТХ помечено как допустимое, его можно получить от любого блока питания стандарта АТХ.

С появлением напряжения +3,3В система АТХ обеспечивает другой набор управляющих сигналов, отличающийся от формируемых обычными стандартными системами (сигналы Power_On и 5v_Standby).

3.3.4. Дополнительные элементы.

Составными элементами корпуса являются:

- включение загрузки системы;

- вентилятор;

- индикатор работы винчестера;

 -индикация включения ПК;

- переключатель Reset;

- динамик(speaker).

Включение загрузки системы. После включения ПК в течение примерно 0,3—0,5c выполняется самотестирование блока питания. В случае если все уровни напряжений питания находятся в допустимых пределах, на материнскую плату поступает сигнал Power_Good.

Этот сигнал подается на материнскую плату, где микросхемой тактового генератора формируется сигнал начальной установки процессора.

При отсутствии сигнала Power_Good микросхема тактового генератора будет постоянно подавать  процессору сигнал начальной установки, не позволяя ПК работать при "нештатном" или нестабильном напряжении питания. При поступлении сигнала Power_Good на генератор сигнал начальной установки процессора выключится и начнется выполнение программы тестирования ПК (Power On Self Test, POST), записанной в ROM BIOS. После удачного завершения тестирования произойдет загрузка системы.

Вентилятор. Блок питания необходимо снабжен вентилятором. Вентиляторы можно подразделить на две группы в зависимости от скорости вращения их лопастей: к первой относятся такие вентиляторы, лопасти которых вращаются с постоянной скоростью, ко второй — такие, скорость вращения лопастей которых зависит от температуры (терморегулируемые).

Индикатор работы винчестера. Светодиодный индикатор работы винчестера (чаще всего красного свечения) обычно размещен на передней панели корпуса и служит для контроля работы винчестера. Каждое обращение к винчестеру сопровождается загоранием индикатора, обычно обозначаемого на панели управления системного блока как HDD.

Индикация включения ПК. Индикатор включения ПК должен всегда загораться при включении компьютера. Кабель этого индикатора маркируется в большинстве случаев зеленым цветом.

Переключатель Reset. Переключатель Reset (Сброс) служит для перезапуска ПК. Это так называемый горячий старт, который очень похож на холодный старт, но при нажатии на кнопку Reset компоненты ПК остаются под напряжением. С помощью Reset осуществляется прерывание сигнала Power_Good. При этом формируется сигнал сброса и повторяется последовательность событий, происходящих при холодном старте ПК.

Динамик(speaker). Еще одним функциональным элементом в корпусе ПК является динамик, расположенный близко к фронтальной панели корпуса. При поломках или нарушениях работы системы speaker сообщит о неисправности посредством подачи акустических сигналов. По количеству "пикающих" звуков можно определить, какие нарушения произошли в системе.

3.5. Материнская плата.

Материнская плата — это сложная многослойная печатная плата, к которой подключаются остальные компоненты компьютера. Материнская плата покрыта сетью медных проводников-дорожек по ним электропитание, и данные поступают к смонтированным на плате микросхемам и слотам, в которые вставляются остальные устройства компьютера.

В этом отношении материнская плата является элементом внутри ПК, влияющим на производительность компьютера в целом.

Наиболее известными производителями материнских плат на российском рынке в настоящее время являются фирмы Asus, Gigabyte, Intel, Elitegroup, MSI. Ранее большой известностью пользовались платы фирм Abit и Epox, но сейчас доля их на российском рынке невелика.

3.4.1. Основные компоненты материнской платы

Чипсет — это набор микросхем материнской платы, он состоит из 2-х основных микросхем: северный и южный мост.

Северный мост (Northbridge) отвечает за работу с процессором, памятью и видеоадаптером. Северный мост определяет частоту системной шины, возможный тип оперативной памяти, её максимальный объем и скорость обмена информацией с процессором.

Южный мост (Southbridge) — это микросхема, которая обеспечивает взаимодействие между центральным процессором и жестким диском, картами PCI, PCI Express, интерфейсами IDE, SATA, USB и др. В отличие от северного моста, южный мост обычно не подключён напрямую к процессору (CPU).

Северный и южный мост расположены на отдельных микросхемах, однако существуют и одночиповые решения.

Особенности материнской платы и то, какие устройства могут подключаться к ней, определяют северный и южный мосты.

Процессор, установленный в специальный разъем. Как правило, на процессор устанавливается радиатор с вентилятором.

Разъемы (слоты) для установки модулей оперативной памяти. Количество и тип разъемов зависит от типа материнской платы.

Разъемы (слоты) для установки карт расширения. Как правило, на материнских платах имеются разъемы для карт стандарта PCI. В недавнем прошлом на них имелись еще и разъемы, предназначенные для карт стандарта VLB и ISA. Современные модели материнских плат оборудованы слотом AGP или PCIExpress. Наличие разъемов и возможность установки в них любых карт расширения (видеоадаптера, звуковой карты, модема, карты АЦП и др.) определяют открытую архитектуру PC.

Микросхема перепрограммируемой памяти (ПЗУ), в которой хранятся программы BIOS, тестирования ПК, загрузки операционной системы, драйверы устройств, начальные установки (CMOS Setup) и т. п.

Разъемы для подключения накопителей HDD, FDD, CD-ROM, последовательные порты для подключения периферийных устройств (мышь, модем и др.), параллельные порты для подключения принтера, сканеров некоторых типов и др.

Аккумуляторная батарея для питания микросхемы памяти CMOS, в которой хранятся текущие настройки BIOS (CMOS Setup) и электронного таймера (системных часов)

На некоторые материнские платы фирмы-производители устанавливают микросхемы, выполняющие функции видеоадаптера, звуковой карты сетевой карты и т. д. Их называют интегрированные. Эти меры приняты с целью экономии места в корпусе ПК и увеличения количества свободных слотов.

3.6. Процессор

Процессор - называется определенная функционально полная совокупность устройств, которая регулирует, управляет и контролирует соответствующий рабочий процесс.

На рынке  имеется признанный лидер — фирма Intel, которая является основным поставщиком CPU для IBM-совместимых PC. Выпускают CPU и другие фирмы, наиболее известными из них являются AMD (Advanced Micro Devices) и Cyrix.

Структура микропроцессора:

1.Устройство управления

2. Арифметико-Логическое устройство

3. Микропроцессорная память

5. Интерфейсная часть микропроцессора

3.6.1. Устройство управления

Устройство управления является функционально наиболее сложным устройством компьютера. Оно вырабатывает управляющие сигналы, поступающие по кодовым шинам инструкций во все блоки машины.

Упрощенно схема УУ показана на рис.3.4

 

Рис.3.4. Укрупненная функциональная схема устройства управления

Регистр команд – запоминающий регистр, в котором хранится код команды: код выполняемой операции и адреса операндов, участвующих в операции. Регистр команд расположен в интерфейсной части процессора, в блоке регистров команд.

Дешифратор операций – логический блок, выбирающий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов.

Постоянное запоминающее устройство микропрограмм – хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках компьютера операций обработки информации. Импульс по выбранному дешифратором операций в соответствии с кодом операции считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую последовательность управляющих сигналов.

Узел формирования адреса – устройство, вычисляющее полный адрес ячейки памяти (регистра) по реквизитам, поступающим из регистра команд и регистров микропроцессорной памяти.

Кодовые шины адреса, данных и инструкций – часть внутренней интерфейсной шины микропроцессора.

3.6.2 Арифметико-логическое устройство

Арифметико-логическое устройство предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации.

Функциональная схема АЛУ (рис. 3.5) состоит обычно из двух регистров, сумматора и схем управления.

Сумматор – вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения поступающих на ее вход двоичных кодов; сумматор имеет разрядность двойного машинного слова.

Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины: регистр1 имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 – разрядность слова.

Рис.3.5. Функциональная схема АЛУ

При выполнении операции в первом регистре помещается первое число, участвующее в операции, а по завершении операции – результат. Во втором регистре – второе число, участвующее в операции. Первый регистр может принимать информацию с кодовых шин данных, и выдавать информацию на них, второй регистр только получать информацию с этих шин.

Схемы управления принимают по кодовым шинам инструкций управляющие сигналы от устройства управления и преобразуют их в сигналы для управления работой регистров и сумматора АЛУ.

3.6.3. Микропроцессорная память

Микропроцессорная память – память небольшой емкости, но чрезвычайно высокого быстродействия, измеряемое наносекундами (10^-9 секунд).

Она предназначена для кратковременного хранения, записи и выдачи информации в ближайшие такты времени. Микропроцессорная память использует регистры общего назначения и специальные регистры.

Специальные регистры применяются для хранения различных адресов, признаков результатов выполнения операций и режимов работы компьютера.

Регистры общего назначения являются универсальными, и могу использоваться для хранения любой информации.

3.6.4. Интерфейсная часть микропроцессора

Интерфейсная часть микропроцессора предназначена для связи и согласования процессора с системной шиной, для приема и анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд. Включает в свой состав адресные регистры МПП, узел формирования адреса, блок регистров команд, внутреннюю интерфейсную шину процессора и схемы управления и портами ввода-вывода.

Порты ввода-вывода – это пункты системного интерфейса компьютера, через которые процессор обменивается информацией с другими устройствами. Всего портов у процессора может быть 65536. каждый порт имеет адрес – номер порта, соответствующий адресу ячейки памяти, являющейся частью устройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти компьютера. Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два регистра памяти – для обмена данными и обмена управляющей информацией. Стандартные устройства имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода.

3.6.5. Производительность процессора

Производительность процессора характеризуется следующими основными параметрами:

- степень интеграции

- внутренняя и внешняя разрядность обрабатываемых данных

- тактовая частота

- память, к которой может адресоваться CPU

- объем установленной кэш-памяти

Кроме того, CPU различаются по технологии производства, напряжению питания, форм-фактору и др.

Степень интеграции. Степень интеграции микросхемы (чипа) показывает, сколько транзисторов может в ней уместиться. Для процессора Pentium (80586) Intel — это приблизительно 3 млн. транзисторов, расположенных на площади 3,5 см².

Разрядность процессора. Это максимальное количество бит информации, которые могут обрабатываться и передаваться процессором одновременно. Разрядность процессора определяется разрядностью регистров, в которые помещаются обрабатываемые данные. Например, если регистр имеет разрядность 2 байта, то разрядность процессора равна 16 (2x8); если 4 байта, то 32; если 8 байтов, то 64.

Для пользователей процессор интересен, прежде всего, своей системой команд и скоростью их выполнения. Система команд процессора представляет собой набор отдельных операций, которые может выполнить процессор данного типа. Разные модели микропроцессоров выполняют одни и те же операции за разное число тактов. Чем выше модель микропроцессора, тем, как правило, меньше тактов требуется для выполнения одних и тех же операций.

Системная шина (FSB) служит для связи процессора с остальными компонентами системы. Процессор имеет две частоты: внутреннюю и внешнюю. Внутренняя, это та самая, которая является его основной характеристикой. Внешняя же частота, это частота работы системной шины. Для Pentium 3 характерны были частоты системной шины в 100 и 133Mhz. У первых Pentium 4 реальная частота составляет 100Mhz, но зато передаётся четыре пакета данных за такт, т. е. скорость передачи данных получилась как при 400Mhz. У Athlon`ов все очень похоже, только передаётся 2 пакета за такт.

Внутренняя разрядность данных. Одной из основных характеристик процессора является количество бит, которое он может обрабатывать одновременно. Для примитивных арифметических команд, выполняющихся внутри CPU, важно, сколько бит могут обрабатываться одновременно: 16, 32 или 64.

Внешняя разрядность данных. Процессор управляет системой, обмениваясь данными с кэш-памятью, RAM и другими устройствами по специальным магистралям, называемым шинами.

Важнейшими характеристиками шины являются ее разрядность и тактовая частота, потому что они определяют количество бит информации в секунду, которые теоретически можно передавать по шине, — пропускную способность шины.

Тактовая частота современных процессоров превысила 2 ГГц и приближаются к 4 ГГц, а тактовая частота системной шины составляет, как правило, лишь 800 МГц, поэтому разрядность системной шины важна для эффективной работы CPU.

Разрядность процессора определяется внутренней, а не внешней разрядностью данных. Так, например, хотя CPU Pentium может одновременно пересылать/получать 64 бита данных, он является 32-битным, потому что может обработать одновременно только 32 бита

Тактовая частота. Быстродействие (вычислительная мощность) – это среднее число операций процессора в секунду. Тактовая частота в МГц. равна количеству тактов в секунду.

Такт - это промежуток времени между началом подачи текущего импульса ГТЧ и началом подачи следующего.

Тактовая частота отражает уровень промышленной технологии, по которой изготавливался данный процессор. Она также характеризирует и компьютер, поэтому по названию модели микропроцессора можно составить достаточно полное представление о том, к какому классу принадлежит компьютер.

Увеличение частоты – одна из основных тенденций развития микропроцессоров. На рынке массовых компьютеров лидирующее место среди производителей процессоров занимают 2 фирмы: Intel и AMD. За ними закрепилось базовое название, переходящее от модели к модели. У Intel – это Pentium и модель с урезанной кэш-памятью Pentium Celeron; у AMD – это Athlon и модель с урезанной кэш-памятью Duron.

Любой современный ПК имеет тактовый генератор (System Clock), который синхронизируют работу его компонентов. Минимальный промежуток времени, определяемый тактовым генератором, еще называют циклом. Частота работы тактового генератора FSC измеряется в мегагерцах (миллион циклов в секунду).

Когда говорят о тактовой частоте системы, то всегда имеют в виду тактовую частоту системной шины. Тактовые частоты всех остальных компонентов PC являются кратными частоте системной шины. На рис.3.6. представлены тактовые частоты различных компонентов системы с процессором Pentium II. работающим с тактовой частотой 266 МГц.

Рис.3.6. Тактовые частоты различных компонентов

Увеличение тактовой частоты системной шины обычно дает больший положительный эффект для повышения быстродействия системы, чем увеличение тактовой частоты процессора, т. к. процессор пропускает большое количество циклов в ожидании информации от более медленных устройств, одним из которых является системная шина.

Адресация памяти. CPU находится в прямом контакте с оперативной памятью PC. Данные, которые обрабатывает CPU, должны временно располагаться в RAM (оперативная память) и для дальнейшей обработки снова могут быть востребованы из памяти.

Адресная шина представляет собой набор проводников, по которым передается информация о местоположении данных в той или иной области памяти.

Ширина адресной шины определяет количество ячеек, к которым может обратиться CPU для чтения или записи. Ширина адресной шины и шины данных не связаны, хотя эти шины работают с одинаковой тактовой частотой.

Кэш память процессора. Процессоры всегда работали быстрее, чем память, причем со временем разрыв между этими скоростями все увеличивается. Чем медленнее память, тем больше процессору приходится ждать. В кэш памяти находятся машинные слова (можно их назвать данными), которые чаще всего используются процессором. Если ему требуется какое-нибудь слово, то он сначала обращается к кэш памяти. Только если его там нет, он обращается к основной памяти. Существует принцип локализации, по которому в кэш вместе с требуемым в данный момент словом загружаются также и соседние с ним слова, т.к. велика вероятность того, что они в ближайшее время тоже понадобятся. У обыкновенных процессоров существует кэш память двух уровней.

Кэш первого уровня (L1) обычно разделён пополам, половина выделена для данных, а другая половина под инструкции.

Кэш второго уровня (L2) предназначается только для данных. Пропускная способность оперативной памяти конечно высока, но кэш память всегда работает в несколько раз быстрее.

У старых процессоров (Pentium, K6 и др.) плата с кэшем L2 находилась на материнской плате. У Athlon K7, P2 и первых P3 кэш был помещён на специальную плату и работал на 1/2, 1/3 или 2/3 скорости ядра. У последних процессоров, в целях увеличения быстродействия, кэш L2 интегрирован в ядро и работает на его полной частоте. Стандартным и достаточным на данный момент считается объём кэша L2 в 256Kb. Многие процессоры имеют 512Kb L2. В ряде случаев большой кэш весьма полезен. С одной стороны, чем больше кэш, тем лучше, но с другой стороны, при увеличении кэша увеличивается время доступа к нему.

3.6.6. Режимы работы процессора

Все 32-разрядные и более поздние процессоры Intel, начиная с 386, могут выполнять программы в нескольких режимах. Режимы процессора предназначены для выполнения программ в различных средах; в разных режимах работы возможности чипа не одинаковы, потому, что команды выполняются по-разному. В зависимости от режима процессора изменяется схема управления памятью системы и задачами.

Процессоры могут работать в трех режимах: реальном, защищенном и виртуальном реальном режиме (реальном внутри защишенного).

Реальный режим. В первоначальном IBM PC использовался процессор 8088, который мог выполнять 16-разрядные команды, используя 16-разрядные внутренние регистры и адресовать только 1 Мб памяти, используя 20-и разрядную шину адреса (2²⁰=1024Мб). Все программное обеспечение PC первоначально было предназначено для этого процессора, оно было разработано на основе 16-разрядной системы команд и модели памяти, объемом 1 Мб.

Все программы, выполняющиеся в реальном режиме, должны использовать только 16-разрядные команды и 20-разрядный адрес. Для программного обеспечения такого типа используется однозадачный режим, т.е. одновременно должна выполняться только одна программа. Нет никакой встроенной защиты для предотвращения перезаписи ячеек памяти, занятых одной программой или даже самой операционной системой, другими программами: это означает, что при выполнении нескольких программ вполне могут быть испорчены данные или код одной из программ, что может привести к остановке системы.

Защищенный режим. Первым 32-разрядным процессором, предназначенным для PC, был 386-ой. Этот чип мог выполнять абсолютно новую 32-разрядную систему команд. Для того чтобы полностью использовать преимущество этой новой системы команд, были необходимы 32-разрядная операционная система и 32-разрядные приложения. Этот новый режим называли защищенным, так как выполняющиеся в нем программы защищены от перезаписи используемых ими областей памяти другими программами.

В этом режиме  процессор мог адресовать до 16 Мб физической идо 1 Гб виртуальной памяти. При этом используются следующие концепции:

1.  Концепция виртуальной памяти. Объем оперативной памяти системы определяется объемом модулей памяти, установленных на материнской плате. Программы и данные в процессе работы располагаются в ячейках этой памяти, откуда могут быть востребованы процессором по мере необходимости.

Если физическая память полностью загружена, то данные не поместившиеся в память, располагаются навинчестере. Для этого на винчестере создается файл являющийся как бы расширением ОП (файл обмена). Когда все ячейки реальной ОП заняты, а для работы программы необходима память, менеджер виртуальной памяти освобождает физическую память, перенося часть информации, которая давно не использовалась в файл обмена.

Таким образом, процессор работает не с реальными, а с виртуальными адресами, которые управляются с помощью специальных таблиц, чтобы информацию можно было найти. Память называют виртуальной, потому что ее фактически не существует.

2. Концепция мультизадачности. В защищенном режиме возможна поддержка мультизадачного режима. При этом процессор может выполнять различные программы в выделенные кванты времени.

Однако пользователи сопротивлялись всем попыткам перехода к 32-разрядной среде. Для них это означало, что нужно, по крайней мере, частично, отказываться от старого программного обеспечения. Только в августе 1995 года (спустя 10 лет после выхода первого 32-разрядного процессора) наконец появилась первая пользовательская 32-разрядная операционная система Windows 95. Пользователи приняли ее во многом потому, что она частично 16-разрядная и поэтому без труда исполняет как новые 32-разрядные программы, так и старые, 16-разрядные. Именно для такой обратной совместимости Windows 95 использовала третий режим процессора:

Виртуальный реальный режим. Виртуальный реальный, по существу, является режимом выполнения 16-разрядной среды (реальный режим), который реализован внутри 32-разрядного защищенного режима. Выполняя команды в окне DOS в Windows, вы создаете виртуальный сеанс реального режима. Поскольку защищенный режим является подлинно многозадачным, фактически можно выполнять несколько сеансов реального режима, причем в каждом сеансе собственное программное обеспечение выполняется на собственном виртуальном компьютере. И все эти приложения могут выполняться одновременно, даже во время выполнения других 32-разрядных программ. Следует обратить внимание на то, что любая программа, выполняющаяся в виртуальном реальном режиме, может обращаться к памяти, объемом до 1 Мб, причем для каждой такой программы это будет как бы первый и единственный мегабайт памяти в системе.

При запуске каждого 16-разрядного приложения Windows создает так называемую виртуальную машину DOS, выдает ей 1 Мб памяти и на этой машине 16-разрядное приложение выполняется. Следует обратить внимание на то, что все процессоры при включении начинают работать в реальном режиме, и только при старте 32-разрядной операционной системы происходит переключение в 32-разрядный режим.

Так же следует отметить, что не любое 16-разрядное приложение будет корректно работать в виртуальном реальном режиме. Например, диагностические программы для обслуживание аппаратного обеспечения делают вещи, не предусмотренные в виртуальном реальном режиме (в первую очередь пытаются напрямую работать с аппаратурой). Такие программы нельзя запускать из Windows, для запуска таких программ необходимо стартовать компьютер с операционной системой DOS и выполнять эти приложения в настоящем, а не виртуальном реальном режиме.

3.6.7. Конвейеризация вычислений

В 80486 реализована конвейеризация вычислений. Каждая следующая команда начинает выполнятся сразу поле прохождения первой ступени конвейера предыдущей командой.

Принцип. Под конвейером понимается такой метод внутренней обработки команд, когда исполнение команды разбивается на несколько ступеней и каждой ступени соответствует свой модуль в структуре процессора.. по очередному тактовому импульсу каждая команда в конвейере продвигается на следующую ступень, при этом выполненная команда покидает конвейер, а новая поступает в него.

Процессоры, имеющие несколько конвейеров называются суперконвейерными, а имеющие несколько ступеней суперскалярными.

3.6.8. Технология предсказания переходов.

Появилась в Pentium (80586). Помимо увеличения количества ступеней по технологии конвейеризации вычислений, у Pentium появления уже 2 конвейера, что означает параллельную обработку 2 команд одновременно, появляется технология предсказания переходов. Для  этого имеется специальный буфер адреса перехода (BTB) который хранит данные о последних 256 переходах.

Суть технологии. Переход – это изменение последовательности выполнения команд в соответствии с алгоритмом программного обеспечения. Согласно статистике переходы встречаются в среднем через каждые 6 команд.

Существуют переходы  безусловные (GOTO), когда управление передается по новому указанному адресу, и условные (IF), когда изменяется ход выполнения программы в зависимости от результатов сравнения. Условные переходы снижают производительность процессора, т.к. в ожидании этого перехода конвейер работает в холостую. Предсказание перехода увеличивает производительность системы.

В процессоре Pentium Pro появляются 14 ступеней и 3 конвейера. Одновременно применяются статический и динамический методы предсказания переходов.

Статические – предписывают всегда выполнять или не выполнять определенные виды переходов.

Динамические – оценивается поведение команд перехода за предшествующий период.

Предусмотрены 2 буфера предвыборки, в которых хранятся результаты, полученные после выполнения команд, следующих за условным переходом еще до того, как будет вычислен результат для ветвления алгоритма. Если какой-либо переход был предсказан неправильно, то буферы предвыборки очищаются. Подобный метод называется исполнением по предположению.

Появляется встроенная кэш-память второго уровня (L2).

3.6.9. Технология MMX

Появилась с процессором Pentium MMX, 1997г. Ориентированна на решение задач мультимедиа, требующих интенсивных операций с целыми числами. Подобные задачи решают игровые, коммуникационные, обучающие программы, которые используют графику, аудио, трехмерное изображение, мультипликацию и т.д.

Сущность технологии. Появление в процессоре виртуального эквивалента 8 новых 64-разрядных регистров и 57 новых команд для решения задач мультимедиа. Восемь новых регистров можно назвать виртуальными, потому что физически эти регистры являются регистрами сопроцессора. Таким образом, сохраняется совместимость с предыдущими поколениями программ.

Пример. Программа управляет графикой в 8-разрядном представлении цвета. Т.е. цвет каждого пиксела кодируется 8 битами. MMX команда может упаковать 8 пикселей в 1 операнд и обработать их все одновременно. Обычный процессор обрабатывает пиксели последовательно.

Пример. Приложения, работающие со звуком используют16-разрядные пакеты данных. Таким образом, 1 команда MMX может обработать сразу четыре таких пакета.

Для реализации такой технологии требуется специальное программное обеспечение, ориентированное на технологию MMX.

Многопроцессорные системы.

Многопроцессорные системы – это системы, в которых установлено несколько процессоров.

Существует два режима работы многопроцессорных систем асимметричный и симметричный.

Асимметричный – один процессор выполняет задачи только операционной системы, а другой прикладные программы.

Симметричный – задачи операционной системы и пользовательские приложения могут выполняться проссорами в зависимости от их загрузки.

Потребность решения сложных прикладных задач с большим объемом вычислений и принципиальная ограниченность максимального быстродействия «классических» – по схеме фон Неймана - ЭВМ привели к появлению многопроцессорных вычислительных систем (МВС). Использование таких средств вычислительной техники позволяет существенно увеличивать производительность ЭВМ при любом существующем уровне развития компьютерного оборудования. При этом, однако, необходимо «параллельное» обобщение традиционной - последовательной - технологии решения задач на ЭВМ. Классификация систем параллельной обработки

Можно выделить четыре основных типа архитектуры систем параллельной обработки (рис.3.7):

- конвейерная обработка (MISD).

- системы типа SIMD

- системы типа MIMD.

- многопроцессорные системы с SIMD-процессорами.

Рис.3.7 Структуры систем параллельной обработки

Основу конвейерной обработки составляет раздельное выполнение некоторой операции в несколько этапов (за несколько ступеней) с передачей данных одного этапа следующему. Производительность при этом возрастает благодаря тому, что одновременно на различных ступенях конвейера выполняются несколько операций. Конвейеризация эффективна только тогда, когда загрузка конвейера близка к полной, а скорость подачи новых операндов соответствует максимальной производительности конвейера. Если происходит задержка, то параллельно будет выполняться меньше операций и суммарная производительность снизится. Векторные операции обеспечивают идеальную возможность полной загрузки вычислительного конвейера. При выполнении векторной команды одна и та же операция применяется ко всем элементам вектора. Для настройки конвейера на выполнение конкретной операции может потребоваться некоторое установочное время, однако затем операнды могут поступать в конвейер с максимальной скоростью, допускаемой возможностями памяти. При этом не возникает пауз ни в связи с выборкой новой команды, ни в связи с определением ветви вычислений при условном переходе. Таким образом, главный принцип вычислений на векторной машине состоит в выполнении некоторой элементарной операции или комбинации из нескольких элементарных операций, которые должны повторно применяться к некоторому блоку данных. Таким операциям в исходной программе соответствуют небольшие компактные циклы.

Машины типа SIMD состоят из большого числа идентичных процессорных элементов, имеющих собственную память. Все процессорные элементы в такой машине выполняют одну и ту же программу. Очевидно, что такая машина, составленная из большого числа процессоров, может обеспечить очень высокую производительность только на тех задачах, при решении которых все процессоры могут делать одну и ту же работу. Модель вычислений для машины SIMD очень похожа на модель вычислений для векторного процессора: одиночная операция выполняется над большим блоком данных. В отличие от ограниченного конвейерного функционирования векторного процессора, матричный процессор (синоним для большинства SIMD-машин) может быть значительно более гибким. Обрабатывающие элементы таких процессоров - это универсальные программируемые ЭВМ, так что задача, решаемая параллельно, может быть достаточно сложной и содержать ветвления. Обычное проявление этой вычислительной модели в исходной программе примерно такое же, как и в случае векторных операций: циклы на элементах массива, в которых значения, вырабатываемые на одной итерации цикла, не используются на другой итерации цикла. Модели вычислений на векторных и матричных ЭВМ настолько схожи, что эти ЭВМ часто обсуждаются как эквивалентные.

Термин «мультипроцессор» покрывает большинство машин типа MIMD и (подобно тому, как термин «матричный процессор» применяется к машинам типа SIMD) часто используется в качестве синонима для машин типа MIMD. В мультипроцессорной системе каждый процессорный элемент (ПЭ) выполняет свою программу достаточно независимо от других процессорных элементов.

Процессорные элементы, конечно, должны как-то связываться друг с другом, что делает необходимым более подробную классификацию машин типа MIMD:

- с общей памятью

- с локальной памятью

В мультипроцессорах с общей памятью (сильно связанных мультипроцессорах) имеется память данных и команд, доступная всем ПЭ. С общей памятью ПЭ связываются с помощью общей шины или сети обмена.

В противоположность этому варианту в слабосвязанных многопроцессорных системах (машинах с локальной памятью) вся память делится между процессорными элементами и каждый блок памяти доступен только связанному с ним процессору. Сеть обмена связывает процессорные элементы друг с другом.

Базовой моделью вычислений на MIMD-мультипроцессоре является совокупность независимых процессов, эпизодически обращающихся к разделяемым данным. Существует большое количество вариантов этой модели. На одном конце спектра – модель распределенных вычислений, в которой программа делится на довольно большое число параллельных задач, состоящих из множества подпрограмм. На другом конце спектра - модель потоковых вычислений, в которых каждая операция в программе может рассматриваться как отдельный процесс. Такая операция ждет своих входных данных (операндов), которые должны быть переданы ей другими процессами. По их получении операция выполняется, и полученное значение передается тем процессам, которые в нем нуждаются. В потоковых моделях вычислений с большим и средним уровнем гранулярности, процессы содержат большое число операций и выполняются в потоковой манере.

Многие современные супер-ЭВМ представляют собой многопроцессорные системы, в которых в качестве процессоров используются векторные процессоры или процессоры типа SIMD. Такие системы относятся к машинам класса MSIMD. Языки программирования и соответствующие компиляторы для машин типа MSIMD обычно обеспечивают языковые конструкции, которые позволяют программисту описывать «крупнозернистый» параллелизм. В пределах каждой задачи компилятор автоматически векторизует подходящие циклы. Машины типа MSIMD, как можно себе представить, дают возможность использовать лучший из этих двух принципов декомпозиции: векторные операции («мелкозернистый» параллелизм) для тех частей программы, которые подходят для этого, и гибкие возможности MIMD-архитектуры для других частей программы.

Существует два способа оценки пиковой производительности компьютера. Один из них опирается на число команд, выполняемых компьютером за единицу времени. Единицей измерения, как правило, является MIPS (Million Instructions Per Second). Производительность, выраженная в MIPS, говорит о скорости выполнения компьютером своих же инструкций. Но, во-первых, заранее не ясно, в какое количество инструкций отобразится конкретная программа, а во-вторых, каждая программа обладает своей спецификой, и число команд от программы к программе может меняться очень сильно. В связи с этим данная характеристика дает лишь самое общее представление о производительности компьютера.

Другой способ измерения производительности заключается в определении числа вещественных операций, выполняемых компьютером за единицу времени. Единицей измерения является Flops (Floating point operations per second) – число операций с плавающей точкой, производимых компьютером за одну секунду. Такой способ является более приемлемым для пользователя, поскольку ему известна вычислительная сложность программы, и, пользуясь этой характеристикой, пользователь может получить нижнюю оценку времени ее выполнения.

3.7. Память.

1. Регистровая КЭШ-память.

2. Оперативная память (ОЗУ)

3.ПЗУ

4. Внешняя память

Память является одним из основных элементов любой вычислительной системы. Элементы памяти в том или ином виде присутствуют в каждом конструктивном модуле ПК (рис.3.8.).

Рис. 3.8. Элементы памяти ПК

Асинхронные элементы имеют только информационные входы и срабатывают непосредственно после изменения сигнала на входах. Сигнал на выходе появляется через некоторое время. Оно не регламентируется и может изменяться в зависимости от температуры и от старения полупроводниковых элементов. Основным недостатком асинхронных элементов является их низкая помехоустойчивость, проявляющаяся в сбоях при работе компьютера.

Для срабатывания синхронных элементов смены сигналов на входах недостаточно. Необходим дополнительный тактирующий сигнал, который подается на соответствующий вход. В качестве такого сигнала выбран тактовый сигнал системной шины. Этот сигнал задается частоту смены информации в определенные моменты времени. В эти же моменты обновляется информация на выходах элементов. Таким образом, процессы записи и считывания информации в память строго привязаны к тактам процессора или шины.

3.7.1. Основные характеристиками микросхем памяти

Основными характеристиками микросхем памяти являются:

- Емкость

- Разрядность

- Быстродействие

- Временная диаграмма

Емкость и разрядность. На рис. 38 представлена структура микросхемы памяти, имеющая одну линию ввода/вывода. Из такой микросхемы процессор может одновременно считать (записать) только один бит данных.

Количество линий ввода/вывода определяет разрядность шины ввода/вывода микросхемы.

Рис. 3.9. Структурная схема микросхемы памяти 1х4

Количество, бит информации, 'которое хранится в ячейках каждой матрицы, называется глубиной адресного пространства (address depth) микросхемы памяти.

Таким образом, общая емкость микросхемы памяти определяется произведением глубины адресного пространства на количество линий ввода/вывода (разрядов).

Быстродействие. Производительность микросхемы динамической памяти характеризуется временем выполнения элементарных действий между двумя операциями чтения либо записи данных. Последовательность этих операций называют рабочим циклом (или циклом обращения). Он включает указание адреса данных (RAS, выбор строки, САS, выбор столбца), чтение (запись).

Время, необходимое для чтения (записи) данных, хранящихся по случайному адресу, называется временем доступа (Access time). Для современных микросхем оно составляет 40 - 60 нс, что соответствует частоте появления данных 16,7 - 25 МГц на выходе микросхемы.

В реальных условиях обращение к памяти чаще происходит не по случайному адресу, поэтому рабочий цикл короче.

Временная диаграмма. Между процессором и элементами памяти не должно быть временного рассогласования, обусловленного различным быстродействием этих компонентов.

Временная диаграмма показывает зависимость тактовой частоты системной шины от типа памяти. Она характеризует количество тактов, которые необходимы процессору для выполнения четырех последовательных операций считывания данных. Например, если имеется 8-разрядная микросхема памяти типа ЕDО, то диаграмма 5-2-2-2 означает, что для считывания первого байта необходимо пять тактов процессора, а для считывания трех последующих байтов два такта.

3.7.2. Динамическая память (DRAM)

Запоминающим элементом динамической памяти является конденсатор, который может находиться в заряженном или разряженном состоянии. Если конденсатор заряжен, то в ячейку записывается логическая 1, если разряжен - логический 0. В идеальном конденсаторе заряд может сохраняться неограниченное время. В реальном конденсаторе существует ток утечки, поэтому информация, записанная в динамическую память, со временем будет утрачена, так как конденсаторы запоминающих элементов полностью разрядятся. Единственным способом регенерации хранимой в памяти информации является выполнение операции чтения/записи данных. Если информация заносится в динамическую память, а затем в течение нескольких миллисекунд остается невостребованной, она будет утрачена, так как конденсаторы упоминающих элементов полностью разрядятся.

Процессор имеет доступ к данным, находящимся в RAM, только в течение циклов, свободных от регенерации.

Регенерация памяти происходит при выполнении каждой операции чтения или записи. Однако нет гарантии, что при выполнении любой программы произойдет обращение ко всем ячейкам памяти, поэтому имеется специальная схема, которая через определенные промежутки времени (например, каждые 2 мс) будет осуществлять доступ (для считывания) ко всем строкам памяти. За один цикл схема регенерирует все строки динамической памяти.

Принцип работы. Ячейки памяти организованы в матрицу, состоящую из строк и столбцов. Полный адрес ячейки данных включает два компонента - адрес строки и адрес столбца. На рис. 37 представлена матрица, состоящая из 32 строк и 32 столбцов, то есть из 1024 ячеек.

Когда процессор обращается к памяти для чтения информации, на входы микросхемы поступает строб вывода данных ОЕ (Output Enabled), затем подается адрес строки и одновременно с ним (или с задержкой) сигнал RAS (Row Address Strobe). Это означает, что каждая шина столбца соединяется с ячейкой памяти выбранной строки. Адрес ячейки поступает по адресным линиям (в нашем случае их десять) и дешифратор, который преобразует поступивший набор нулей и единиц номер строки.

Емкость конденсатора очень мала (доли пикофарады) и его заряд тоже мал, поэтому используется усилитель, подключенный к каждой шине столбца динамической памяти. Информация считывается со всей строки запоминающих элементов одновременно и помещается в буфер ввода/вывода.

С незначительной задержкой после сигнала RAS на входы динамической памяти подается адрес столбца и сигнал CAS (Column Address Strobe). При чтении данные выбираются из буфера ввода/вывода и поступают на выход динамической памяти в соответствии с адресом столбца.

Рис. 3.10. Структурная схема динамической памяти

При считывании информации из ячеек памяти происходит ее разрушение, поэтому производится перезапись считанной информации: выходы регистра строки снова соединяются с общими шинами столбцов памяти, чтобы перезаписать считанную информацию из строки. Если ячейка имела заряд, то она снова будет заряжена еще до завершения цикла чтения. На ячейки, которые не имели заряда, напряжение не подается.

Если выполняется запись в память, то подается строб записи WE(Write Enabled) и информация поступает на соответствующую шину столбца не из буфера, а с входа памяти в соответствии с адресом столбца. Таким образом, прохождение данных при записи задается комбинацией сигналов, определяющих адрес столбца и строки, а также сигналом разрешения записи данных в память.

3.7.3. Статическая память (SRAM)

Организация элементов SRAM идентична организации элементов памяти DRAM, за исключением того, что SRAM не нуждается в регенерации памяти.

Буква S в названии означает Static (статический). Если бы SRAM устанавливалась в качестве оперативной памяти, это обеспечило бы значительное повышение быстродействия компьютера. Однако при этом существенно изменилась бы и стоимость компьютера, поскольку стоимость микросхем SRAM намного выше стоимости DRAM. Время доступа к SRAM составляет от 60 до 100 нс, а время доступа к SRAM - от 10 до 15 нс. Поэтому элементы SRAM устанавливают только для выполнения специальных задач, важнейшей из которых можно назвать кэширование, и микросхемы используются в качестве кэш-памяти второго уровня (L2) и памяти для сохранения параметров ВIOS.

Как и DRAM, элементы SRAM являются "временной" памятью. Для того чтобы данные оставались неизменными, должно быть обеспечено гарантированное питание от аккумулятора. При этом ток, потребляемый элементами RAM, настолько мал, что содержимое памяти (при наличии аккумулятора) остается неизменным около двух лет, даже если компьютер в течение этого времени ни разу не включался.

3.7.4. Режимы работы памяти

Для повышения скорости обмёна данными между процессором и микросхемами памяти разработаны специальные режимы работы памяти и технологии:

- Пакетный режим

- Чередование памяти

- Разбиение памяти на страницы

- Кэширование памяти

Пакетный режим. Как уже отмечалось, СРU запрашивает данные из памяти не побайтно, а в виде пакетов, состоящих из 32 или 64 бит. В этом режиме, кроме одного слова процессор считывает еще три, расположенные рядом.

Чередование памяти. Метод управления памятью с чередованием адресов (Interleaving mode), основан на том, что логически связанные байты чаще всего располагаются в памяти друг за другом. Как уже отмечалось, в микросхеме памяти осуществляется периодическая регенерация данных, в процессе которой микросхема не доступна для записи и чтения. Чтобы не было пауз в работе памяти, осуществляется ее чередование, т. е. помещение следующих друг за другом ячеек памяти в различные банки, из которых процессор должен считывать данные попеременно. Пока в одном из, чипов памяти происходит регенерация данных, СРU может считывать следующий байт из другого банка.

Организацию и управление чередованием памяти осуществляет контроллер памяти, который логически объединяет два банка в один и распределяет адресное пространство так, чтобы соседние адреса находились в разных банках.

Разбиение памяти на страницы. Метод разбиения памяти на страницы (Pacing mode) основан на том факте, что каждый поступающий в процессор байт расположен рядом с байтом, уже считанным из памяти и логически связанным с ним. Следовательно, не нужно повторять сигнал RAS, если адреса строк выбираемых ячеек памяти находятся в предел одной страницы, т. е. адрес строки неизменен. Обычно память делится на страницы размером 512 байт и более.

Кэширование памяти. Кэширование памяти используется для ускорения доступа к данным, находящимся в RАМ. Это достигается за счет применения промежуточной быстродействующей памяти небольшой емкости (256 Кб - 2 Мб). Эта кэш-память работает на частоте процессора, поэтому при обращении к ней не требуются циклы ожидания.

3.7.5. Организация микросхем памяти.

Каким образом 4-разрядная микросхема памяти может работать с 32-разрядной системной шиной или 64-разрядной шиной процессора. Дело в том, что процессор взаимодействует через контроллер памяти не с одной, а в данном случае сразу с восемью микросхемами памяти, организованными в банки памяти. Банки памяти всегда должны быть заполнены, иначе ПК не загрузится.

Количество микросхем памяти в одном банке определяется соотношением разрядности системной шины и разрядности микросхемы памяти. На рис. 3.11 в качестве примера показана 16-разрядная шина памяти и подключенные к ней четыре 4-разрядные микросхемы памяти.

Контроллер памяти является промежуточным устройством между системной шиной и модулями памяти. Он определяет тип установленных элементов памяти, организует обмен данными между процессором и RАМ и задает различные режимы работы памяти. В современных Chipset контроллер интегрирован в одной из двух микросхем.

В настоящее время отдельные микросхемы памяти не устанавливаются на материнскую плату. Они объединяются на специальных печатных платах, образуя вместе с некоторыми дополнительными элементами модули памяти.

Рис.3.11. Пример организации банков памяти 16-разрядной системной шины

Разрядность модулей памяти определяется разрядностью микросхем памяти, установленных на плате. Для модулей памяти, как ранее и для микросхем памяти, действует правило о необходимости полного заполнения банков памяти.

3.7.6. КЭШ память

Кэш — промежуточный буфер с быстрым доступом, содержащий копию той информации, которая хранится в памяти с менее быстрым доступом, но с наибольшей вероятностью может быть оттуда запрошена. Доступ к данным в кэше идёт быстрее, чем выборка исходных данных из медленной памяти или их перевычисление, что делает среднее время доступа короче.

Функционирование. Кэш — это память с большей скоростью доступа (статическая SRAM), предназначенная для ускорения обращения к данным, содержащимся постоянно в памяти с меньшей скоростью доступа. Кэширование применяется процессором, жёсткими дисками, браузерами и веб-серверами.

Кэш состоит из набора записей. Каждая запись ассоциирована с элементом данных или блоком данных (небольшой части данных), которая является копией элемента данных в основной памяти. Каждая запись имеет идентификатор, определяющий соответствие между элементами данных в кэше и их копиями в основной памяти.

Когда клиент кэша обращается к данным, прежде всего исследуется кэш. Если в кэше найдена запись с идентификатором, совпадающим с идентификатором затребованного элемента данных, то используются элементы данных в кэше. Такой случай называется попаданием кэша.

Если в кэше не найдено записей, содержащих затребованный элемент данных, то он читается из основной памяти в кэш, и становятся доступным для последующих обращений. Такой случай называется промахом кэша. Процент обращений к кэшу, когда в нём найден результат, называется уровнем попаданий или коэффициентом попаданий в кэш.

Если кэш ограничен в объёме, то при промахе может быть принято решение отбросить некоторую запись для освобождения пространства. Для выбора отбрасываемой записи используется так называемый алгоритм вытеснения.

При модификации элементов данных в кэше выполняется их обновление в основной памяти. Задержка во времени между модификацией данных в кэше и обновлением основной памяти управляется так называемой политикой записи.

В кэше с немедленной записью каждое изменение вызывает синхронное обновление данных в основной памяти.

В кэше с отложенной записью (или обратной записью) обновление происходит в случае вытеснения элемента данных, периодически или по запросу клиента. Для отслеживания модифицированных элементов данных записи кэша хранят признак модификации. Промах в кэше с отложенной записью может потребовать два обращения к основной памяти: первое для записи заменяемых данных из кэша, второе для чтения необходимого элемента данных.

В случае, если данные в основной памяти могут быть изменены независимо от кэша, то запись кэша может стать неактуальной. Протоколы взаимодействия между кэшами, которые сохраняют согласованность данных, называют протоколами когерентности кэша.

Кэш процессора. Ряд моделей центральных процессоров обладают собственным кэшем, для того чтобы минимизировать доступ к оперативной памяти (ОЗУ), которая медленее, чем регистры. Кэш-память может давать значительный выигрыш в производительности, в случае, когда тактовая частота ОЗУ значительно меньше тактовой частоты процессора. Тактовая частота для кэш-памяти обычно ненамного меньше частоты процессора.

Уровни кэша. Кэш центрального процессора разделён на несколько уровней. Для универсальных процессоров — до 3. Кэш-память уровня N+1 как правило больше по размеру и медленнее по скорости обращения и передаче данных, чем кэш-память уровня N.

Самой быстрой памятью является кэш первого уровня — L1-cache. По сути, она является неотъемлемой частью процессора, поскольку расположена на одном с ним кристалле и входит в состав функциональных блоков. Состоит из кэша команд и кэша данных. Некоторые процессоры без L1 кэша не могут функционировать. На других его можно отключить, но тогда значительно падает производительность процессора. L1 кэш работает на частоте процессора, и, в общем случае, обращение к нему может производиться каждый такт (зачастую является возможным выполнять даже несколько чтений/записей одновременно). Латентность (задержка между стимулом и реакцией) доступа обычно равна 2−4 тактам ядра. Объём обычно невелик — не более 128 КБ.

Вторым по быстродействию является L2-cache — кэш второго уровня. Обычно он расположен либо на кристалле, как и L1, либо в непосредственной близости от ядра, например, в процессорном картридже (только в слотовых процессорах). В старых процессорах — набор микросхем на системной плате. Объём L2 кэша от 128 КБ до 1−8 МБ. В современных многоядерных процессорах кэш второго уровня, находясь на том же кристалле, является памятью раздельного пользования — при общем объёме кэша в 8 МБ на каждое ядро приходится по 2 Мб. Обычно латентность L2 кэша, расположенного на кристалле ядра, составляет от 8 до 20 тактов ядра. В отличие от L1 кэша, его отключение может не повлиять на производительность системы. Однако, в задачах, связанных с многочисленными обращениями к ограниченной области памяти, например, СУБД, производительность может упасть в десятки раз.

Кэш третьего уровня наименее быстродействующий и обычно расположен отдельно от ядра процессора, но он может быть очень внушительного размера — более 32 МБ. L3 кэш медленнее предыдущих кэшей, но всё равно значительно быстрее, чем оперативная память. В многопроцессорных системах находится в общем пользовании.

Ассоциативность кэша. Одна из фундаментальных характеристик кэш-памяти — уровень ассоциативности — отображает ее логическую сегментацию. Дело в том, что последовательный перебор всех строк кэша в поисках необходимых данных потребовал бы десятков тактов, и свел бы на нет весь выигрыш от использования встроенной в процессор памяти. Поэтому ячейки ОЗУ жестко привязываются к строкам кэш-памяти (в каждой строке могут быть данные из фиксированного набора адресов), что значительно сокращает время поиска. С каждой ячейкой ОЗУ может быть связано более одной строки кэш-памяти: например, n-канальная ассоциативность  обозначает, что информация по некоторому адресу оперативной памяти может храниться в n местах кэш-памяти. При одинаковом объеме кэша схема с большей ассоциативностью будет наименее быстрой, но наиболее эффективной.

Кэширование внешних накопителей. Многие периферийные устройства хранения данных используют кэш для ускорения работы, в частности, жёсткие диски используют кэш-память от 1 до 32 Мб, устройства чтения CD/DVD-дисков так же кэшируют прочитанную информацию для ускорения повторного обращения. Операционная система так же использует часть оперативной памяти в качестве кэша дисковых операций (в том числе для внешних устройств, не обладающих собственной кэш-памятью, в том числе жестких дисков, flash-памяти и гибких дисков).

3.7.7. Оперативная память

Оперативная память представляет, собой самую быструю запоминающую среду, компьютера. Чтобы процессор мог выполнять программы, они должны быть загружены в оперативную рабочую память, т. е. в память, доступную для программ пользователя. К данным, находящимся в оперативной памяти, процессор имеет непосредственный доступ, а к периферийной, или внешней памяти (гибким и жестким дискам) - через буфер, являющийся также разновидностью оперативной памяти, недоступной пользователю. Только после того, как программа будет загружена в RАМ с внешнего носителя данных, возможна дальнейшая ее работа.

Недостаток оперативной памяти состоит в том, что она временная, т. е. При отключении питания оперативная память полностью очищается, и данные, не записанные на внешний носитель, будут потеряны. Основная задача RАМ - предоставлять по требованию процессора необходимую информацию. Это означает, что данные в любой момент должны быть доступны для обработки.

Временный характер запоминания данных в оперативной памяти определяется не только наличием питания. Дело в том, что оперативная память относится к категории динамической памяти: ее содержимое остается неизменным в течение очень короткого промежутка времени, поэтому память должна периодически обновляться.

3.7.8. Логическое распределение оперативной памяти.

Логическое определение оперативной памяти определяется не только применяемой операционной системой, но и особенностями аппаратной реализации компьютера.

Можно выделить 5 логических областей оперативной памяти:

- стандартная оперативная память

- UMA (upper memory area)

- EMS (Expanded memory specification)

- HMA(high memory area)

- XMS(extended memory specification)

Стандартная память. Начинается от адреса 0000:0000h и продолжается до адреса A000:0000h. Верхний предел был установлен процессорами 8086 и 8086. Эти процессоры имели 20-разрядную адресную шину и поэтому могли адресовать только 1Мб памяти (2²⁰=1048576). В пределах этой памяти выше уровня 640Кб фирмой IBM зарезервированы 384Кб для выполнения внутренних функций.

Внутри стандартной памяти располагается таблица векторов прерываний, область данных BIOS, область для операционной системы.

Таблица векторов прерываний состоит из 256 элементов по 4 байта. Вектора прерываний это адреса сервисных программ, входящих в состав операционной системы BIOS. Речь идет о таких базовых функциях, как отображение символа на экране монитора, организация доступа к дисководу или жесткому диску и т.д. Таблица начинается с адреса 0000:0000h и занимает 1024 байта (1Кб).

Область данных BIOS объемом 768 байт. Здесь размещены счетчик таймера, буфер клавиатуры и другая внутренняя информация.

В области для операционной системы (ОС) загружается часть ядра ОС, а именно, процессор команд. Ядро операционной системы не имеет постоянного адреса памяти, и его местоположение зависит от версии ОС.

Оставшаяся часть стандартной памяти до адреса A000h:0000h (640Кб) принадлежит программам и данным.

UMA. Память выше основной и является аппаратной. Здесь находится информация, которая служит для сопряжения прикладных программ с различными картами расширений, установленными в компьютере. Эту память называют верхней и располагается она в пределах от A000h до FFFFh (от 640Кб до 1 МБ). Ее размер 384Кб. Эта область памяти неоднородна. В UMA размещается область памяти графической карты (A000h:000h до C000h:000h-128Кб) и VGA BIOS (C000h:000h до C8000h:000h – 32Кб), а также могут находиться модули постоянной и оперативной памяти конструктивно расположенные на картах расширения, подключенных к ПК. Кроме того, резервируется 64Кб для страниц дополнительной памяти EMS, и последние 64Кб выше F000h:0000h выделяется для ROM BIOS.

EMS. Программы, использующие большой объем памяти, не могут разместиться в 640Кб, чтобы преодолеть этот барьер был создан стандарт, основывающийся на переключении банков или блоков страниц памяти.

Как было сказано выше, в UMS резервируется 64Кб, под EMS. Их разделяют на 4 логические страницы по 16КБ каждая. С помощью специального драйвера, строятся отображения до 4-х произвольных физических страниц в дополнительной памяти(EMS). Поэтому эту память часто называют отображаемой памятью.

HMA. Выше 1 Мб, а точнее блок равный 64Кб обозначают HMA. Появилась благодаря «ущербной» эмуляции процессора 8088 процессором 80286. Вся стандартная память может быть представлена как в виде 16 непересекающихся блоков размером 64Кб, так и виде перекрываемых областей по 64Кб, называемых сегментами, которые могут начинаться через каждые 16байт.

Максимальный полный адрес в виде сегмент:смещение, по которому может обратиться процессор 8088 – это FFFFh:000Fh (20 адресных линий). Если увеличить это значение хотябы на 1, то произойдет циклический перенос и значение адреса станет 0000h:0000h. Для 80286 этого не произойдет т.к. адресная шина этих процессоров больше 20 разрядов, адрес памяти при этом превышает 1Мб. Чтобы исправить эту ошибку, предусматриваютсяспециальные аппаратные средства заставляющие процессор 80286 выполнять переход на низшие адреса как при работе 8088. В результате появился целый сегмент от FFFF:0010h до FFFFh FFFFh, доступный в реальном режиме для процессоров выше80286.

XMS. Это вся память выше 1 Мб, включая HMA(называют расширенной). Правда одновременный доступ к HMA может иметь только DOS. Для доступа к этой памяти нужен специальный драйвер, с помощью которого пересылаются данные из стандартной памяти в расширенную и обратно. Драйвер реализующий расширенную память переводит ПК в защищенный режим, где можно адресовать всю память.

3.7.9. ПЗУ (ROM)

ROM используется для долговременного хранения данных, которые ни при каких обстоятельствах не должны быть утеряны. Элементы ROM не нуждаются в электропитании и сохраняют данные в течение длительного времени. Энергонезависимая память используется для хранения кода BIOS компьютера, BIOS карт расширения, конфигурации периферийных устройств, скэн-кодов клавиатуры и др.

Существует несколько типов энергонезависимой памяти. Они различаются по способу перезаписи информации и применяются в разных областях.

3.7.9. Внешняя память

Рис.3.12. Схема устройства накопителя на жёстких магнитных дисках.

Жесткий диск — энергонезависимое, перезаписываемое компьютерное запоминающее устройство. Является основным накопителем данных практически во всех современных компьютерах.

В отличие от «гибкого» диска (дискеты), информация в НЖМД записывается на жёсткие (алюминиевые или стеклянные) пластины, покрытые слоем ферромагнитного материала, чаще всего двуокиси хрома. В некоторых НЖМД используется одна пластина, в других — несколько на одной оси. Считывающие головки в рабочем режиме не касаются поверхности пластин благодаря прослойке набегающего потока воздуха, образуемого у поверхности при быстром вращении. Расстояние между головкой и диском составляет несколько нанометров (в современных дисках 5-10 нм), а отсутствие механического контакта обеспечивает долгий срок службы устройства. При отсутствии вращения дисков, головки находятся у шпинделя или за пределами диска в безопасной зоне, где исключён их нештатный контакт с поверхностью дисков.

Характеристики. Интерфейс — набор, состоящий из линий связи, сигналов, посылаемых по этим линиям, технических средств, поддерживающих эти линии, и правил обмена.

Ёмкость — количество данных, которые могут храниться накопителем. В отличие от принятой в информатике системе приставок, обозначающих кратную 1024 величину (кило=1024, мега=1 048 576 и т. д.), производителями при обозначении ёмкости жёстких дисков используются кратные 1000 величины. Так, напр., «настоящая» ёмкость жёсткого диска, маркированного как «200 Гб», составляет 186,2 Гб.

Физический размер (форм-фактор) — почти все современные накопители для персональных компьютеров и серверов имеют размер либо 3,5, либо 2,5 дюйма. Последние, чаще применяются в ноутбуках.

Время произвольного доступа — от 3 до 15 мс, как правило, минимальным временем обладают серверные диски.

Скорость вращения шпинделя — количество оборотов шпинделя в минуту. От этого параметра в значительной степени зависят время доступа и скорость передачи данных. В настоящее время выпускаются винчестеры со следующими стандартными скоростями вращения: 4200, 5400 и 7200 (ноутбуки), 7200 и 10 000 (персональные компьютеры), 10 000 и 15 000 об./мин. (серверы и высокопроизводительные рабочие станции).

Надёжность — определяется как среднее время наработки на отказ.

Количество операций ввода-вывода в секунду — у современных дисков это около 50 оп./сек при произвольном доступе к накопителю и около 100 оп./сек при последовательном доступе.

Потребление энергии — важный фактор для мобильных устройств.

Уровень шума — шум, который производит механика накопителя при его работе. Указывается в децибелах. Тихими накопителями считаются устройства с уровнем шума около 26 дБ и ниже. Шум состоит из шума вращения шпинделя (в том числе аэродинамического) и шума позиционирования.

Сопротивляемость ударам — сопротивляемость накопителя резким скачкам давления или ударам, измеряется в единицах допустимой перегрузки во включённом и выключенном состоянии.

Скорость передачи данных:

- внутренняя зона диска: от 44,2 до 74,5 Мб/с;

- внешняя зона диска: от 60,0 до 111,4 Мб/с;

Объём буфера. Буфером называется промежуточная память, предназначенная для сглаживания различий скорости чтения/записи и передачи по интерфейсу. В современных (2008 год) HDD он обычно варьируется от 8 до 32 Мб.

Устройство. Жёсткий диск состоит из следующих основных узлов: корпус из прочного сплава, собственно жесткие диски (пластины) с магнитным покрытием, блок головок с устройством позиционирования, электропривод шпинделя и блок электроники.

Устройство позиционирования головок состоит из неподвижной пары сильных, как правило, неодимовых, постоянных магнитов и катушки на подвижном блоке головок.

Жесткие диски не герметичны. Внутренняя полость жесткого диска сообщается с атмосферой через фильтр, способный задерживать очень мелкие (несколько мкм) частицы. Это необходимо для поддержания постоянного давления внутри диска при колебаниях температуры корпуса.

Пылинки, оказавшиеся при сборке в жёстком диске и попавшие на поверхность диска, при вращении сносятся на ещё один фильтр — пылеуловитель.

3.8. Основные внешние устройства.

3.8.1. Клавиатура.

Клавиатура – важнейшее для пользователя устройство, с помощью которого осуществляется ввод данных, команд и управляющих воздействий в компьютер. На клавишах нанесены буквы латинского и русского алфавитов, десятичные цифры, математические, графические и специальные служебные знаки, знаки препинания, наименования некоторых команд, функций.

Чаше всего клавиатура содержит 101 клавишу. Имеются клавиатуры со встроенными манипуляторами (трейкбол).

Для буквенно-цифровых клавиш существует понятие регистра, т.е. режима использования. Имеются две пары регистров: верхний/нижний и латинский/русский.

Курсором называется символ, указывающий позицию на экране дисплея, в которой будет отображаться очередной выведенный на экран символ.

Блок клавиатуры конструктивно выполнен автономно от основной платы компьютера и кроме клавиатуры содержит контроллер клавиатуры, состоящий из буферной памяти и схемы управления. Он подключается к основной плате с помощью 4-хпроводного интерфейса.

Контроллер клавиатуры осуществляет:

- сканирование состояния клавиш;

- буферизацию до 20 отдельных кодов клавиш на время между двумя соседними опросами клавиатуры со стороны процессора;

- преобразование кодов нажатия клавиш (scan-кодов) в коды ASII с помощью хранящихся в ПЗУ программируемых системных таблиц драйвера клавиатуры.

- тестирование клавиатуры при ее включении для USB клавиатур (включение компьютера для COM  и PS/2).

При нажатии и отпускании клавиши в буферную память контроллера клавиатуры поступает код нажатия или отпускания (0 или 1) в седьмой бит байта и номер клавиши или ее scan-код в остальные 7 бит байта. При поступлении любой информации в буферную память посылается запрос на аппаратное прерывание, инициируемое клавиатурой. При выполнении scan-код преобразуется в ASII, и оба кода пересылаются в соответствующее поле ОЗУ. При этом по наличию кода отпускания проверяется, все ли клавиши отпущены в момент нажатия следующей клавиши.

Контроллер организует повторение клавишной операции: если клавиша нажата более 0,5с, то генерируются повторные коды нажатия клавиши через регулярные интервалы так, как если бы клавишу нажимали повторно.

3.8.2. Видеотерминальные устройства

Видеотерминальное устройство состоит из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера (видеоадаптера).

Монитор – устройство отображения текстовой и графической информации на экране.

Рассмотрим дисплей на базе ЭЛТ (электронно-лучевой трубки). В состав монитора входят: панель ЭЛТ, блок разверток, видеоусилитель, блок питания и др. в зависимости от вида управляющего лучом сигнала мониторы бывают аналоговые и цифровые.

Аналоговые мониторы позволяют более качественно, в большим количеством полутонов и цветовых оттенков формировать изображение на мониторе.

Размер экрана монитора задается обычно величиной ее диагонали в дюймах. Важной характеристикой монитора является его частота его кадровой развертки. Например, смена изображений кадров с частотой 25Гц воспринимается глазом как непрерывное движение, но глаз при этом из-за мерцания экрана быстро устает.

Строчная развертка может быть построчной и через строчной, последняя позволяет получить большую разрешающую способность, но снижает в двое фактическую кадровую частоту, т.е. увеличивает мерцание экрана.

Разрешающая способность мониторов. Мониторы обычно могу работать в двух режимах: текстовом и графическом. В текстовом режиме изображение на экране монитора состоит из символов расширенного набора ASII, формируемых знакогенератором (возможны примитивные рисунки, гистограммы, рамки, составленные с использованием символов псевдографики). В графическом режиме на экран выводятся более сложные изображения и надписи с различными шрифтами и размерами букв, формируемых их отдельных мозаичных элементов – пикселей.

Разрешающая способность монитора нужна именно в графическом режиме и связана с размером пикселя. Измеряется разрешающая способность максимальным количеством пикселей, размещающихся по горизонтали и по вертикали на экране монитора. Важной характеристикой монитора, определяющей четкость изображения на экране, является размер зерна люминофора экрана. Чем меньше зерно, тем выше четкость и тем меньше устает глаз. Величина зерна имеет значения от 0,41 до 0,18.

Среди прочих характеристик мониторов следует отметить: наличие плоского или выпуклого экрана (большая прямоугольность изображения меньше бликов); уровень высокочастотного радиоизлучения (уменьшается при хорошем экранировании); наличие защиты экрана от электростатических полей – мониторы типа AS(Anti Static); наличие системы энергосбережения – мониторы типа G (green) и др.

Видеоконтроллеры (видеоадаптеры) являются внутрисистемными устройствами, непосредственно управляющими мониторами и выводом информации на их экран.

Видеоконтроллер содержит: схему управления ЭЛТ, растровую память (видеопамять, хранящая воспроизведенную на экране информацию и использующую поле видеобуфера в Оп), сменные микросхемы ПЗУ(матрицы знаков), порты ввода-вывода.

Основные характеристики видеоконтроллера: режимы работы (текстовый и графический), воспроизведение цветов (монохромный и цветной), число цветов или число полутонов (в монохромном), разрешающая способность (число адресуемых на экране монитора пикселей по горизонтали и вертикали), емкость и число страниц в буферной памяти (число страниц – это число запоминаемых текстовых экранов, любой из которых путем прямой адресации может быть выведен на отображение в мониторе), размер матрицы символа(количество пикселей в строке и столбце матрицы, формирующей символ на экране монитора), разрядность шины данных, определяющая скорость обмена данными с системной шиной и др. Важная характеристика – емкость видеопамяти, она определяет количество хранимых в памяти пикселей и их атрибутов.

3.8.3. Принтеры

Принтеры – это устройство вывода данных из компьютера, преобразующее информационные ASII – коды в соответствующие им графические символы и фиксирующее эти символы на бумаге. Принтеры отличаются по различным признакам:

- цветность (черно-белые, цветные);

- способ формирования символов (знакопечатающие и знакосинтезирующие);

- принцип действия (матричные, термические, струйные, лазерные);

- способы печати (ударные, безударные) и формирования строк (последовательные, параллельные);

- ширина каретки (с широкой (375-450мм) и узкой (250мм) кареткой);

- длина печатной строки (80, 132-136 символов);

- скорость печати;

- разрешающая способность, единица измерения dpi -- количество точек на дюйм.

Матричные принтеры. Изображение формируется из точек ударным способом. Работают в двух режимах: текстовом и графическом. В текстовом на принтеры посылаются коды символов, которые следует распечатать, контуры символа выбираются из знакогенератора принтера. В графическом режиме на принтер пересылаются коды, определяющие местоположение и последовательность точек изображения. Печать точек осуществляется тонкими иглами, ударяющими бумагу через красящую ленту.

Термопринтеры. Оснащены вместо игольчатой печатающей головки с термоматрицей и использующие при печати специальную термобумагу или термокопирку.

Струйные принтеры. В печатающей головке вместо иголок тонки трубочки – сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки красителя (чернил). Это безударные печатающие устройства. Матрица печатающей головки содержит обычно от 12 до 64 сопел. Имеются цветные струйные принтеры.

Лазерные принтеры. В них применяется электрографический способ формирования изображений, используемый в одноименных копировальных аппаратах. Лазер служит для создания сверхтонкого светового луча, вычерчивающего на поверхности предварительно заряженного светочувствительного барабана контуры невидимого точечного электронного изображения – электрический заряд стекает с засвеченных лучом лазера точек на поверхности барабана. После появления электронного изображения порошком красителя (тонера), налипающего на разряженные участки, выполняется печать – перенос тонера с барабана на бумагу и закрепление изображения на бумаге разогревом тонера до его расплавления. Быстродействующие принтеры имею свою буферную память емкостью до нескольких сотен  килобайт.

3.8.3. Сканеры.

Сканеры – это устройство ввода в компьютер информации непосредственно с бумажного документа. Можно вводить тексты, схемы, рисунки, графики, фотографии и другую графическую информацию.

Сканеры бывают черно-белые и цветные. Черно-белые сканеры могу считывать штриховые изображения и полутоновые. Штриховые изображения не передают полутонов или, иначе, уровней серого. Цветные сканеры работают и с черно-белыми и с цветными оригиналами. В цветных сканерах используется цветовая модель RGB: сканируемое изображение освещается через вращающийся RGB-светофильтр или от последовательно зажигаемых трех цветных ламп; сигнал соответствующий каждому основному цвету, обрабатывается отдельно.

Конструктивно сканеры бывают ручными и настольными. Настольные делятся на планшетные, роликовые и проекционные.

Ручные – вручную перемещаются по изображению. За один проход вводится лишь несколько строчек, имеется индикатор, предупреждающий оператора о превышении допустимой скорости сканирования. Сканеры имеют малые габариты и стоимость.

Планшетные – сканируемая головка перемещается относительно оригинала автоматически; они позволяю сканировать листовые документы и сброшюрованные документы (книги).

Роликовые, наиболее автоматизированные. В них оригинал перемещается автоматически относительно сканирующей головки, часто имеется автоматическая подача документов, но сканируемые документы только листовые.

Проекционные, внешне напоминают фотоувеличитель, но внизу лежит сканируемый документ, а наверху находится сканирующая головка. Сканер оптическим образом сканирует информационный документ и вводит полученную информацию в виде файла в память компьютера.

Файл, создаваемый в памяти машины, называется битовой картой. Существует два формата представления графической информации в файлах компьютера: растровый и векторный форматы.

В растровом формате графическое изображение запоминается в файле в идее мозаичного набора множества точек (нулей и единиц), соответствующих пикселям отображения этого изображения на экране монитора. Редактировать этот файл средствами стандартных текстовых и графических процессоров не представляется возможным, ибо эти процессоры не работают с мозаичным представлением информации.