4.Структура микропроцессора (устройство управления, алу). Материнская плата. Плата расширения.

Микропроцессор – это устройство, выполняющее обработку информации на персональных компьютерах, управляет вычислительным процессом, арифметическими и логическими операциями. Микропроцессор характеризуется:  1) тактовой частотой, определяющей максимальное время выполнения переключения элементов в ЭВМ;  2) разрядностью, т.е. максимальным числом одновременно обрабатываемых двоичных разрядов.

Микроархитектура микропроцессора - это аппаратная организация и логическая структура микропроцессора, регистры, управляющие схемы, арифметико-логические устройства, запоминающие устройства и связывающие их информационные магистрали.

Макроархитектура - это система команд, типы обрабатываемых данных, режимы адресации и принципы работы микропроцессора.

Содержит все 5 основных блоков цифровой машины: устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и устройство вывода информации. 

Шина - это канал пересылки данных, используемый совместно различными блоками системы. Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется 16-разрядная адресная шина (ША), которая служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8-разрядной информационной шине или шине данных (ШД) осуществляется двунаправленная пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую программу. Программы могут быть загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего запоминающего устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.

Устройство управления (УУ). Осуществляет координацию работы всех остальных устройств, выполняет функции управления устройствами, управляет вычислениями в компьютере.  Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Так называется устройство для целочисленных операций. Арифметические операции, такие как сложение, умножение и деление, а также логические операции обрабатываются при помощи АЛУ. Эти операции составляют подавляющее большинство программного кода в большинстве программ. Все операции в АЛУ производятся в регистрах - специально отведенных ячейках АЛУ. В процессоре может быть несколько АЛУ. Каждое способно исполнять арифметические или логические операции независимо от других, что позволяет выполнять несколько операций одновременно. Арифметико-логическое устройство выполняет арифметические и логические действия. Логические операции делятся на две простые операции: "Да" и "Нет" ("1" и "0"). Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.  AGU (Address Generation Unit) - устройство генерации адресов. Это устройство не менее важное, чем АЛУ, т.к. оно отвечает за корректную адресацию при загрузке или сохранении данных. Кэш-память. Кэш используется в качестве буфера для ускорения обмена данными между процессором и оперативной памятью, а также для хранения копий инструкций и данных, которые недавно использовались процессором. Основная память. Намного больше по объёму, чем кэш-память, и значительно менее быстродействующая. Регистры - это внутренняя память процессора. Регистр является устройством временного хранения данных, числа или команды и используется с целью облегчения арифметических,логических и пересылочных операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например: сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции.  Материнская плата   это сложная многослойная печатная плата на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера (центральный процессор, контроллер ОЗУ и собственно ОЗУ, загрузочное ПЗУ, контроллеры базовых интерфейсов ввода-вывода). Как правило, материнская плата содержит разъёмы для подключения дополнительных контроллеров, для подключения которых обычно используются шины USB, PCI и PCI-Express.

Форм-фактор материнской платы — стандарт, определяющий размеры материнской платы для персонального компьютера, места ее крепления к корпусу; расположение на ней интерфейсов шин, портов ввода/вывода, сокета центрального процессора (если он есть) и слотов для оперативной памяти, а также тип разъема для подключения блока питания.

Возможные форм-факторы материнских плат: ATX, mATX, EATX, BTX, mBTX, mini-ITX, SSI EEB, SSI CEB, нестандартный.

Карта расширения (адаптер) — печатная плата, которую помещают в слот расширения материнской платы компьютерной системы с целью добавления дополнительных функций. Один край карты расширения оснащён контактами, точно соответствующими разъёму гнезда материнской платы. Контакты обеспечивают электрическое соединение между компонентами карты и материнской платы.

Плата расширения предназначена для расширения функций персонального компьютера. Может содержать оперативную память и устройства ввода-вывода. Могут обмениваться данными с другими устройствами на шине.

К платам расширения относятся:

- видеокарта — устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера в видеосигнал для монитора.

- звуковая карта — плата расширения, Главная возможность звуковой карты — воспроизведение аудио и видеофайлов, хранящихся на компьютере.

- Сетевая карта — плата расширения, позволяющая ПК взаимодействовать с другими устройствами сети.Сетевой адаптер вместе со своим драйвером выполняет две функции: прием и передача кадра. Обычно в клиентских ПК значительная часть работы перекладывается на драйвер, что позволяет удешевить адаптер, но загружает ЦПУ. Адаптеры, предназначенные для серверов, обычно оснащены собственными процессорами, которые выполняют большую часть работы по передаче кадров из оперативной памяти в сеть и обратно. В общем виде цепочка передачи кадров: оперативная память — адаптер — физический канал — адаптер — оперативная память.

5.Физическая и логическая структура основной памяти. Внешняя память. Логическая структура диска.  Основная память (память с произвольным доступом) – память из которой процессор выполняет команды на исполнение ОП, кэш-память, ПЗУ, энергонезависимую память и буферную память различных адаптеров. Используется для оперативного обмена информацией между процессором, внешней памятью и периферийными подсистемами. Произвольность доступа подразумевает возможность операций записи в любую ячейку ОЗУ или чтение любой ячейки ОЗУ в произвольном порядке. Требования к основной памяти: Большой объем, Быстродействие и производительность позволяющая реализовать вычислительную мощность современных процессоров, Высокая надёжность.

ОП представляет собой единственный вид памяти, к которой ЦП может обращаться непосредственно (исключение составляют лишь регистры центрального процессора). Информация, хранящаяся на внешних ЗУ, становится доступной процессору только после того, как будет переписана в основную память. Основную память образуют запоминающие устройства с произвольным доступом. ОП может включать в себя (ОЗУ) и  (ПЗУ).

Физическая структура основной памяти:

При матричной организации адрес ячейки, поступающий в регистр адреса, например по 20-разрядным кодовым шинам адреса, делится на две 10-разрядные части, поступающие соответственно в Рег. адр. Х и Рег. адр. Y. Из этих регистров коды полуадресов поступают в дешифраторы дешифратор Х и дешифратор Y, каждый из которых в соответствии с полученным адресом выбирает одну из 1024 шин. По выбранным шинам подаются сигналы записи-считывания в ячейку памяти, находящуюся на пересечении этих шин. Таким образом адресуется 106(точнее 10242) ячеек.

Считываемая или записываемая информация поступает в регистр данных (Рег. данных), непосредственно связанный с кодовыми шинами данных. Управляющие сигналы, определяющие, какую операцию следует выполнить, поступают по кодовым шинам инструкций. Куб памяти содержит набор запоминающих элементов — собственно ячеек памяти.

Логическая структура основной памяти:

Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный (отличный от всех других) адрес. Основная память имеет для ОЗУ и ПЗУ единое адресное пространство.

Адресное пространство определяет максимально возможное количество непосредственно адресуемых ячеек основной памяти.

Адресное пространство зависит от разрядности адресных шин, ибо максимальное количество разных адресов определяется разнообразием двоичных чисел, которые можно отобразить в п разрядах, т.е. адресное пространство равно , где n -- разрядность адреса. Прежде всего, основная память компьютера делится на две логические области: непосредственно адресуемую память, занимающую первые 1024 Кбайта ячеек с адресами от 0 до 1024 Кбайт - 1, и расширенную память, доступ к ячейкам которой возможен при использовании специальных программ-драйверов.Драйвер -- специальная программа, управляющая работой памяти или внешними устройствами ЭВМ и организующая обмен информацией между МП, ОП и внешними устройствами ЭВМ. Стандартной памятью (СМА -- Conventional Memory Area) называется непосредственно адресуемая память в диапазоне от 0 до 640 Кбайт.Непосредственно адресуемая память в диапазоне адресов от 640 до 1024 Кбайт называется верхней памятью (UMA -- Upper Memory Area). Верхняя память зарезервирована для памяти дисплея (видеопамяти) и постоянного запоминающего устройства. Однако обычно в ней остаются свободные участки -- «окна», которые могут быть использованы при помощи диспетчера памяти в качестве оперативной памяти общего назначения.Расширенная память -- это память с адресами 1024 Кбайта и выше.Непосредственный доступ к этой памяти возможен только в защищенном режиме работы микропроцессора. Расширенная память может быть использована главным образом для хранения данных и некоторых программ ОС. Часто расширенную память используют для организации виртуальных (электронных) дисков

Внешняя память - это память, предназначенная для длительного хранения программ и данных. Целостность содержимого ВЗУ не зависит от того, включен или выключен компьютер

В состав внешней памяти входят:  1) накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);  2) накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);  3) накопители на магнитооптических компакт дисках;  4) накопители на оптических дисках (CD-ROM);  5) накопители на магнитной ленте и др.

НГМД Предназначены для хранения небольших объемов информации

- Следует оберегать от сильных магнитных полей и нагревания 

- Это носители произвольного доступа к информации

- Используются для переноса данных с одного компьютера на другой

- Для работы с информации носитель должен быть отформатирован.

- Скорость обмена информации зависит от скорости вращения дисковода. Для обращения к диску, вставленному в дисковод, присваивается имя  А:

 Диски называются гибкими потому, что их рабочая поверхность изготовлена из эластичного материала и помещена в твердый защитный конверт. Для доступа к магнитной поверхности диска в защитном конверте имеется закрытое шторкой окно. Поверхность диска покрыта специальным магнитным слоем (1- намагниченный участок, 0 – не намагниченный). Информация записывается с двух сторон диска на дорожки в виде концентрических окружностей. Дорожки разбиваются на секторы.

НЖМД Предназначены для хранения той информации, которая наиболее часто используется в работе - программ операционной системы, компиляторов, сервисных программ, прикладных программ пользователя, текстовых документов, файлов базы данных

- Следует оберегать от ударов при установке и резких перемещений в пространстве

- Это носители с произвольным доступом к информации

- Для хранения информации разбивается на дорожки и секторы

- Скорость обмена информации значительно выше ГД

НЖМД встроены в дисковод и являются несъемными. Они представляют собой несколько алюминиевых дисков с магнитным покрытием, заключенных в единый корпус с электродвигателем, магнитными головками и устройством позиционирования. К магнитной поверхности диска подводится записывающая головка, которая перемещается по радиусу диска с внешней стороны к центру. Во время работы дисковода диск вращается. В каждом фиксированном положении головка взаимодействует с круговой дорожкой. На эти концентрические дорожки и производится запись двоичной информации.  Для обращения к НЖМД используется имя, задаваемое прописной латинской буквой, начиная с С:   , но с помощью специальной системной программы можно разбить свой физический ЖД на несколько логических дисков, каждому из которых дается соответствующее имя.

Оптические (лазерные) CD и DVD диски

- Предназначены для хранения любого вида информации

- Информацию на CD записывается с помощью лазерного луча

- Следует оберегать от царапин и загрязнения поверхности

- Это носители прямого (произвольного) доступа к информации

- Более долговечны и надежны, чем магнитные диски

Изготовляют из органических материалов с напылением на поверхность тонкого алюминиевого слоя. Лазерный диск имеет одну дорожку в виде спирали. Информация записывается  отдельными секторами мощным лазерным лучом, выжигающим на поверхности диска углубления, и представляет собой чередование впадин и выпуклостей.

НМЛ Используют для резервного копирования  и хранения больших объемов информации

- Устройство для записи и считывания магнитных лент называется стример

- Это устройство последовательного доступа к информации

Для того чтобы на диске можно было хранить информацию, диск должен быть отформатирован, то есть должна быть создана физическая и логическая структура диска. Формирование физической структуры диска состоит в создании на диске концентрических дорожек, которые, в свою очередь, делятся на секторы.

Логическая структура гибких дисков. Логическая структура магнитного диска представляет собой совокупность секторов (емкостью 512 байтов), каждый из которых имеет свой порядковый номер (например, 100). Сектора нумеруются в линейной последовательности от первого сектора нулевой дорожки до последнего сектора последней дорожки.

На гибком диске минимальным адресуемым элементом является сектор.

При записи файла на диск будет занято всегда целое количество секторов, соответственно минимальный размер файла - это размер одного сектора, а максимальный соответствует общему количеству секторов на диске.

Файл записывается в произвольные свободные сектора, которые могут находиться на различных дорожках.

Для того чтобы можно было найти файл по его имени, на диске имеется каталог, представляющий собой базу данных.

Запись о файле содержит имя файла, адрес первого сектора, с которого начинается файл, объем файла, а также дату и время его создания.

Виды форматирования. Существуют два различных вида форматирования дисков: полное и быстрое форматирование. Полное форматирование включает в себя как физическое форматирование (проверку качества магнитного покрытия дискеты и ее разметку на дорожки и секторы), так и логическое форматирование (создание каталога и таблицы размещения файлов). После полного форматирования вся хранившаяся на диске информация будет уничтожена.Быстрое форматирование производит лишь очистку корневого каталога и таблицы размещения файлов. Информация, то есть сами файлы, сохраняется и в принципе возможно восстановление файловой системы.