Решение дифференциальных уравнений Примеры решения типовых задач Курс практики по математике Инженерная графика Машиностроительное черчение История дизайна Архитектура ПК Лабораторные работы Курс лекций по физике теплоэнергетика
USB-накопитель на флеш-памяти Кэш центрального процессора Дисковая подсистема ПК Понятие архитектуры и структуры ЭВМ Внешние интерфейсы Жесткий магнитный диск Визуализация трехмерных изображений

Курс лекций по персональному компьютеру

Память – функциональная часть компьютера, предназначенная для записи, хранения и выдачи информации. В ПК имеется несколько видов памяти: ОЗУ, ПЗУ, РОН, Кэш, СМОS, ВЗУ. Существует еще видеопамять – электронная память, размещенная на видеокарте.

Производительность ПК во многом определяется быстродействием процессора, а также объемом оперативной памяти и скоростью доступа к ней.

Оперативная память (RAM – random access memory, ОЗУ) – устройство, предназначенное для хранения обрабатываемой информации (данных) и программ, управляющих процессом обработки информации. Конструктивно представляет собой набор микросхем, размещенных на одной небольшой плате (модуль, планка). Модуль (модули) оперативной памяти вставляется в соответствующий разъем материнской платы, позволяя таким образом связываться с другими устройствами ПК (рис. 2.4, 2.5).

Рис. 2.4. Модули оперативной памяти

Рис. 2.5. Инсталляция модуля ОП в слот

Можно считать, что оперативная память представляет собой последовательность пронумерованных байтов. Каждый байт имеет свой номер, который по аналогии с номерами домов на улице принято называть адресом. Содержимое любого байта памяти может обрабатываться независимым от остальных байтов образом. Указав адрес байта, можно получить код, который в нем записан, или занести, записать в этот байт какой-либо другой код.

С точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).

Микросхемы динамической памяти используются в качестве основной оперативной памяти компьютера. Ячейки динамической памяти можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и экономически доступный тип памяти. Конденсаторы необходимо подзаряжать каждые несколько миллисекунд.

В статической памяти элементы построены на триггерах – схемах с двумя устойчивыми состояниями. Для одного триггера требуется 4-6 транзисторов. После записи элемент памяти хранит информацию сколь угодно долго. Имеет высокое быстродействие и низкую удельную плотность. Микросхемы статической памяти используются в качестве кэш-памяти. Разработаны разные модификации статической и динамической памяти.

Память характеризуется двумя параметрами:

время доступа;

длительность цикла.

Время доступа – промежуток времени между формированием запроса на чтение информации и моментом поступления запрошенной информации из памяти. Длительность цикла – минимальное допустимое время между двумя последовательными обращениями к памяти. На время написания учебника типовой компьютер имеет 512 Мб или 1024 Мб оперативной памяти.

Оперативная память энергозависима – при выключении электропитания информация, помещенная в оперативную память, исчезает безвозвратно (если она не была сохранена на какой-либо носитель информации).

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется кэш-память (cache – запас, тайник). Это сверхбыстрая оперативная память, предназначенная для временного хранения текущих данных и помещенная между оперативной памятью и процессором. Специальные программно-аппаратные средства обеспечивают опережающее копирование данных из оперативной памяти в кэш и обратное копирование данных по окончании их обработки. Обработка данных в кэш-памяти производится быстрее, что приводит к увеличению производительности ПК. Непосредственного доступа из программы в кэш-память нет.

CMOS-память (изготовленная по технологии CMOS – complementary metal – oxide semiconductor) предназначена для длительного хранения данных о конфигурации и настройке компьютера (дата, время, пароль), в том числе, когда питание компьютера выключено. Для этого используют специальные электронные схемы со средним быстродействием, но очень малым энергопотреблением, питаемые от специального аккумулятора, установленного на материнской плате. Это полупостоянная память.

Данные CMOS-памяти записываются и считываются под управлением команд, содержащихся в другом виде памяти – ПЗУ. Она называется ROM (read only memory) – постоянная память, т.е. память, хранящая информацию при отключенном питании теоретически сколь угодно долго. Это такая память, в которую данные занесены при ее изготовлении. Постоянная память содержит наборы групп команд для непосредственного управления различными устройствами ПК, а также их тестирования при включении. Эти программы называются BIOS (Basic Input-Output System – базовая система ввода-вывода). В BIOS содержится также программа настройки конфигурации компьютера – SETUP. Она позволяет установить некоторые характеристики устройств ПК. BIOS непосредственно ориентирована на конкретную аппаратную реализацию компьютера и может быть различной даже в однотипных компьютерах.

 

Внешние запоминающие устройства

Устройства внешней памяти или, иначе, внешние запоминающие устройства весьма разнообразны. Их можно классифицировать по целому ряду признаков: по виду носителя, типу конструкции, по принципу записи и считывания информации, методу доступа и т.д. Один из возможных вариантов классификации ВЗУ приведен на рис. 2.6.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) – это электромеханические запоминающие устройства, которые характеризуются большим объемом хранимой информации и низким (по сравнению с электронной памятью) быстродействием. К ВЗУ относятся накопители на магнитной ленте (НМЛ), накопители на гибких магнитных дисках (НГМД), накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), накопители на оптических дисках (НОД) и др.

Рис. 2.6. Классификация ВЗУ

Носитель информации – это материальный объект, способный хранить информацию. Например, в первых ЭВМ носителями информации являлись бумажные ленты и карты, на которых были пробиты (перфорированы) отверстия.

При магнитной записи информации с помощью записывающей головки происходит изменение магнитной индукции носителя. Носитель изготавливают из ферромагнитного материала. Располагается носитель на подложке, в качестве которой может выступать пластмассовая пленка, металлические или стеклянные диски.

Ток, протекающий по обмотке записывающей головки, создает в сердечнике (магнитопроводе) магнитный поток. Через узкий зазор в сердечнике магнитный поток намагничивает носитель в одном из двух направлений, что зависит от направления протекающего по обмотке тока. Разные направления намагниченности носителя соответствуют логическому нулю или логической единице. Таким образом, записывающая головка – это маленькие электромагниты, которые своим электромагнитным полем изменяют ориентацию магнитных доменов в носителе в зависимости от полярности протекающего в обмотке тока.

При считывании информации с ленты или диска движущийся намагниченный носитель индуцирует в считывающей головке электродвижущую силу. Полярность возникающего на обмотке напряжения зависит от направления намагниченности носителя.

Накопители на магнитных дисках включают в себя ряд систем:

элекромеханический привод, обеспечивающий вращение диска;

блок магнитных головок для чтения и записи;

системы установки (позиционирования) магнитных головок в нужное для записи или чтения положение;

электронный блок управления и кодирования сигналов.

Дискета – гибкий пластиковый диск с нанесенным на обе стороны магнитным покрытием, заключенный в достаточно твердый пластиковый конверт для предохранения от механических повреждений. Информация на диск наносится вдоль концентрических окружностей (рис. 2.7) – дорожек.

Каждая дорожка разбита на несколько секторов (обычно 18) – минимально возможных адресуемых участков. Стандартная емкость сектора – 512 байт.

Рис. 2.7. Логическая структура поверхности магнитного диска

Процедура разметки нового диска – нанесение секторов и дорожек – называется форматированием. Одноименные сектора обеих поверхностей образуют кластеры. В центре дискеты имеется приспособление для захвата и обеспечения вращения диска внутри пластмассового корпуса. Дискета вставляется в дисковод, который вращается с постоянной угловой скоростью. Магнитные головки примыкают к обеим поверхностям и при вращении диска проходят мимо всех кластеров дорожки. Перемещение головок по радиусу с помощью шагового двигателя обеспечивает доступ к каждой дорожке. Запись/чтение осуществляется целым числом кластеров, обычно под управлением операционной системы.

Для дискет формата 3,5’’ максимальная емкость составляет 2,88 Мб, самый распространенный формат емкости для них – 1,44 Мб.

В целях сохранения информации гибкие магнитные диски необходимо предохранять от воздействия сильных магнитных полей и нагревания, так как такие воздействия могут привести к размагничиванию носителя и потере информации.

Накопителем на гибких дисках является дисковод ZIP фирмы Iomega. Накопитель подобен дискете по принципу действия, (но емкостью около 100 Мб) и вставляется в специальный диско-вод. Носитель информации имеет гибкую основу, сам накопитель использует эффект Бернулли.

Основная идея такого накопителя заключается в следующем. Воздушные потоки, возни-кающие вследствие вращения гибкого диска, вызывают изгиб части поверхности диска, находя-щейся под головкой. Однако диск не соприкасается с головкой, и между ними остается неболь-шой, достаточно стабильный зазор, который обеспечивается потоками воздуха. Этот эффект поз-воляет использовать более плотную запись информации.

Алгоритм вычислений представляется в виде последовательности управляющих слов, называемых командами. Команда определяет наименование операции и слова информации (данные), участвующие в операции. Алгоритм, представленный в терминах машинных команд, называется программой. Выполнение вычислений, предписанных алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой.
Курс лекций по персональному компьютеру