Информатика. Теория и практика_Острейковский В.А_2008

Память микропроцессора состоит из функциональных регистров: регистров общего назначения, указателя команд, регистров флагов и регистров сегментов.

Восемь 32-разрядных регистров общего назначения используются для хранения данных и адресов. Они обеспечивают работу с данными разрядностью 1, 8, 16, 32 и 64 бита и адресами размером 16 и 32 бита. Каждый из таких регистров имеет свое имя, например ЕАХ или ESР.

32-разрядный указатель команд содержит смещение при определении адреса следующей команды; 32-разрядный регистр флагов указывает признаки результата выполнения команды.

Регистры сегментов содержат значения секторов сегментов, определяющих текущие адресуемые сегменты памяти.

Кроме вышеуказанных, регистровая память МП содержит регистры процессора обработки чисел, представленных в формате с плавающей точкой, системные и некоторые другие регистры.

Производительность микропроцессора значительно повышается за счет буферизации часто используемых команд и данных во внутренней кэш-памяти размером (в данном случае) 8 Кбайт. При этом сокращается число обращений к внешней памяти. Внутренняя кэш-память имеет несколько режимов работы, что обеспечивает гибкость отладки и выполнения рабочих программ.

Устройство управления микропроцессорного типа обеспе- чивает конвейерную обработку данных с помощью блока предварительной выборки (очереди команд), а также многозадач- ность, т. е. способ организации работы ПЭВМ, при котором в ее памяти одновременно содержатся программы и данные для выполнения нескольких задач. В составе МП i486 имеются аппаратно-программные средства, позволяющие эффективно организовать многозадачный режим, в том числе системы прерываний и защиты памяти.

Система прерываний обрабатывает запросы на прерывание как от внешних устройств, так и от внутренних блоков МП. Поступление запроса на прерывание от внутреннего блока МП свидетельствует о возникновении исключительной ситуации, например о переполнении разрядной сетки. Внешнее прерывание может быть связано с обслуживанием запросов от периферийных устройств. Требуя своевременного обслуживания, внеш-

151

нее устройство посылает запрос прерывания микропроцессору. В ответ он приостанавливает нормальное выполнение текущей программы и переходит на обработку этого запроса, чтобы затем выполнить определенные действия по вводу-выводу данных. После совершения таких действий происходит возврат к прерванной программе. МП i486 способен обрабатывать до 256 различ- ных типов прерываний, причем первые 32 типа отведены для внутрисистемных целей и недоступны пользователю.

Защита памяти от несанкционированного доступа в многозадачном режиме осуществляется с помощью системы привилегий, регулирующей доступ к тому или иному сегменту памяти в зависимости от уровня его защищенности и степени важности.

Обмен информацией между блоками МП происходит через магистраль микропроцессора, включающую 32-разрядную шину адреса, 32-разрядную двунаправленную шину данных и шину управления.

Шина адреса используется для передачи адресов ячеек памяти и регистров для обмена информацией с внешними устройствами.

Шина данных обеспечивает передачу информации между МП, памятью и периферийными устройствами. По этой шине возможна пересылка 32-, 16- и 8-разрядных данных. Шина двунаправленная, т. е. позволяет осуществлять пересылку данных как в прямом, так и в обратном направлении.

Шина управления предназначена для передачи управляющих сигналов — управления памятью, управления обменом данных, запросов на прерывание и т. д.

Системная магистраль представляет собой совокупность шин (кабелей), используемых для передачи данных, адресов

èуправляющих сигналов. Количество линий в адресно-инфор- мационной шине определяется разрядностью кодов адреса и данных, а количество линий в шине управления — числом управляющих сигналов, используемых в ПЭВМ.

Внутренняя память ПЭВМ состоит из оперативной памяти

èпостоянной памяти (ПП).

Оперативная память (ОП) ПЭВМ. ОП построена на больших интегральных схемах (БИС) или сверхбольших интегральных схемах (СБИС) и является энергозависимой: при отключе-

152

нии питания информация в ОП теряется. В оперативной памяти хранятся исполняемые машинные программы, исходные и промежуточные данные и результаты. Емкость ОП в ПЭВМ измеряется в килобайтах и мегабайтах. Иногда адресное пространство увеличивается до нескольких гигабайт. В наиболее распространенных конфигурациях ПЭВМ емкость ОП составляет 512—1024 Мбайт и более.

В ОП обычно выделяется область, называемая стеком. Обращение к стековой памяти возможно только в той ячейке, которая адресуется указателем стека. Стек удобен при организации прерываний и обращении к подпрограммам.

Постоянная память (ПП) ПЭВМ. ПП является энергозависимой, используется для хранения системных программ, в ча- стности так называемой базовой системы ввода-вывода (BIOS — Basic Input and Output System), вспомогательных программ и т. п. Программы, хранящиеся в ПП, предназначены для постоянного использования микропроцессором.

Контроллеры (К) служат для управления внешними устройствами (ВУ). Каждому ВУ соответствует свой контроллер. Электронные модули-контроллеры реализуются на отдельных печатных платах, вставляемых внутрь системного блока. Такие платы часто называют адаптерами ВУ (от «адаптировать» — приспосабливать). После получения команды от МП контроллер функционирует автономно, освобождая МП от выполнения специфических функций, требуемых для того или другого конкретного ВУ.

Контроллер содержит регистры двух типов — регистр состояния (управления) и регистр данных. Эти регистры часто называют портами ввода-вывода. За каждым портом закреплен определенный номер — адрес порта. Через порты пользователь может управлять ВУ, используя команды ввода-вывода. Программа, выполняющая по запросу из основной выполняемой программы операции ввода-вывода для конкретного устройства или группы устройств ПЭВМ, входит в состав ядра операционной системы ПЭВМ.

Для ускорения обмена информацией между МП и внешними устройствами в ПЭВМ используется прямой доступ к памяти (ПДП). Контроллер ПДП, получив сигнал запроса от внешнего устройства, принимает управление обменом на себя и обес-

153

печивает обмен данными с ОП, минуя центральный МП. В это время микропроцессор продолжает без прерывания выполнять текущую программу. Прямой доступ к памяти, с одной стороны, освобождает МП от непосредственного обмена между памятью и внешними устройствами, а с другой — позволяет зна- чительно быстрее, по сравнению с режимом прерывания, удовлетворить запросы на обмен.

Внешние запоминающие устройства (ÂÇÓ) ÏÝÂÌ. В качест-

ве ВЗУ в ПК в основном используются НГМД и НЖМД типа «винчестер».

Накопители на гибких магнитных дисках служат для хранения программ и данных небольшого объема и удобны для перенесения информации с одной ПЭВМ на другую.

На рабочей поверхности диска (дискеты) по концентриче- ским окружностям, размещенным на определенном расстоянии от центрального отверстия, записываются данные. Стандартный формат дискеты для IВМ РС и совместимых с ней ПЭВМ имеет 40 (80) дорожек. Каждая дорожка разделена на части, называемые секторами èëè записями. Секторы представляют собой основную единицу хранения информации на дискете. При чтении или записи устройство всегда считывает или записывает целое число секторов независимо от объема запрашиваемой информации.

Емкость сектора (число байт или слов) — основная характеристика формата данных на носителе. Она определяется наименьшим количеством данных, которое может быть считано или записано на дискету за одну операцию ввода-вывода.

Существует два способа разбивки (разметки) дорожек на секторы — фиксированный (или аппаратный) и программный. Если размер сектора задан жестко и определяется механи- ческими характеристиками устройства, разметка называется фиксированной. При такой разметке индексные отверстия, расположенные по кругу, обозначают начало каждого сектора; следовательно, его положение на дискете точно определено.

Для дискет ПЭВМ расположение дорожек на дискете и число сторон неизменны: они определяются характеристиками самих дискет. Однако количество секторов на дорожке и их размер могут определяться программно в процессе разметки (форматирования). Именно поэтому гибкие диски называют также

154

дисками с программной разметкой секторов (soft-sector). Форматирование выполняется либо программами операционной системы, либо программами BIOS (Basic Input/Output System) — базовой системы ввода-вывода.

Широкое распространение получили НГМД диаметром 3 дюйма. Их емкость достигает 1,44 Мбайт. Достоинством этих НГМД является не только большая компактность, но и нали- чие жесткого пластикового корпуса со специальной металли- ческой сдвигающейся крышкой, защищающего рабочие поверхности дискеты от загрязнения и механических повреждений. Специальные сдвигающиеся рычажки на корпусе дискеты обеспечивают ее механическую защиту от записи.

Накопители на жестких магнитных дисках содержат несколь-

ко дисков, объединенных в пакет, чаще всего из четырех — шести дисков. НЖМД несменяем, располагается внутри системного блока.

В НЖМД магнитные головки, объединенные в блок, перемещаются одновременно в радиальном направлении по отношению к дискам. Дорожки с одинаковыми номерами на разных поверхностях дисков образуют цилиндр, который имеет тот же номер, что и объединенные им дорожки.

Любой диск имеет физический и логический формат. Физический формат диска определяет размер сектора (в байтах), число секторов на дорожке (или — для жестких дисков — в цилиндре), число дорожек (цилиндров) и число сторон. Логиче- ский формат диска задает способ организации информации на нем и фиксирует размещение информации различных типов.

Важным параметром для пользователя является время доступа, характеризующее скорость чтения и записи информации на диски. Для наиболее распространенных НЖМД оно колеблется от 14 до 70 мкс. Реальная скорость работы НЖМД существенно зависит от типа используемой программы. Так, обработка больших массивов информации, требующая многократного поиска одиночных сведений, может неожиданно для пользователя занять весьма значительное время. Еще более продолжительной может оказаться обработка сложных изображений.

Главный недостаток магнитной записи — ее недолговеч- ность и чувствительность к внешним магнитным полям.

155

Оптические диски — это устройства для хранения информации на оптических (лазерных) дисках. Их емкость измеряется гигабайтами и даже десятками гигабайт; однако в большинстве случаев такие диски не допускают перезаписывания, поэтому используются большей частью для хранения постоянной информации (например, сложных компьютерных игр с высокоразвитой графикой).

Отличие оптической записи от магнитной заключается в полном отсутствии физического контакта механизма дисковода

ñповерхностью оптического диска. Запись и считывание информации производятся бесконтактно, с помощью лазерного луча. К тому же луч фокусируется не на поверхности, а в глубине прозрачного диска. Поэтому оптической записи не страшны неглубокие царапины на поверхности оптического диска. Следовательно, он обеспечивает очень высокую долговечность и надежность хранения информации. К тому же оптические диски совершенно нечувствительны к внешним магнитным полям, однако боятся глубоких царапин и прямых солнечных лучей.

Основная возможность увеличения емкости оптических дисков — уменьшение расстояний между дорожками и размеров пит за счет уменьшения длины волны лазерных диодов. Пит (от англ. pit — углубление) — это микровпадина на рабочей поверхности компакт-диска, которая определяет значение бита.

Êоптическим относятся CD-R(RW)- и DVD-R(RW)-диски. При массовом производстве они изготавливаются с помощью штампов и предназначены для чтения и записи информации.

Аудиокомпакт-диски могут проигрываться как в музыкальных центрах, CD-проигрывателях и плеерах, так и с помощью дисководов ПК. Время звучания этих дисков может составлять несколько часов. Время просмотра видеофильмов на мониторе ПК в стандарте VideoCD составляет 74 мин. В настоящее время разработана технология сжатия информации в формате МРЕG,

ñпомощью которой обеспечивается коэффициент сжатия до 200 : 1 и более.

Кроме дисков «только для чтения информации», существуют диски для однократной (CD-R) и многократной (CD-RW) записи информации.

Только для чтения — СD-RОМ. Технология, объединяющая текст и графику со звуком и движущимися изображениями, на-

156

зывается мультимедиа. При этом подразумевается обратная связь — действия пользователя должны напрямую и существенно влиять на происходящее в системе мультимедиа.

В качестве носителей информации в мультимедийных компьютерах используются оптические компакт-диски CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory, т. е. память на компакт-ди- ске «только для чтения»). Внешне они не отличаются от звуковых компакт-дисков, используемых в проигрывателях и музыкальных центрах. Емкость одного CD-ROM достигает 700 Мбайт. Для чтения компакт-дисков используется CD-дисковод. Скорость чтения данных в нем зависит от скорости вращения диска. Сейчас применяются уже 24-, 32-, 40- и 50-скоростные дисководы, а скорость считывания информации при этом приближается к скорости считывания с «винчестера». Компакт-диск так же легко сменить, как и дискету. Информация на него записывается один раз. Кстати, с помощью CD-дисковода можно проигрывать и звуковые компакт-диски (разумеется, при наличии в ПК звуковой карты и звуковых колонок).

Замечание для пользователей CD-ROM: безудержное повышение скорости считывания носит чисто рекламный характер. Для считывания практически любых дисков вполне достаточно 10—16-скоростных дисководов. На больˆ ших скоростях начи- нают сказываться малейшие искривления дисков, известны даже случаи их разрушения.

Диск CD-ROM содержит три слоя — подложку из поликарбоната с отштампованным рельефом диска, напыленное на нее отражающее покрытие из алюминия, серебра или золота и тонкий защитный слой из поликарбоната или лака — на него наносятся рисунки и подписи. Некоторые «пиратские» диски имеют слишком тонкий защитный слой либо лишены его совсем, поэтому их легко повредить. Информация на диске кодируется чередованием пит и промежутков между ними, расположенных вдоль дорожки.

Что представляет собой дисковод CD-ROM? В его состав входят плата электроники, шпиндельный двигатель, устройство загрузки диска и система считывающей оптической головки.

Во вращение диск приводит шпиндельный двигатель. В состав системы считывающей головки входят сама оптическая головка и система ее перемещения. В головке находятся лазер-

157

ный излучатель (на основе лазерного инфракрасного светодиода), система фокусировки лазерного луча (объектив), фотоприемник и предварительный усилитель. Система перемещения головки содержит собственный двигатель, который с помощью червячной или зубчатой передачи приводит в движение каретку с оптической считывающей головкой.

На одной из международных книжных ярмарок в 1999 г. было представлено московское издательство «МЦФ», специализирующееся на издании CD-ROM. Изданы диски с записями собраний сочинений А.С. Пушкина, А.П. Чехова, Ф.М. Достоевского, энциклопедий фантастики и истории России, музыкального цикла «Бранденбургские концерты» И.С. Баха и др.

Записываемые оптические диски — CD-R (R — от англ. Record — запись). Принцип однократной записи на диске CD-R (CD-Recordable) основан на «выжигании» лучом лазера бит информации на записывающем слое диска, состоящем из органи- ческого красителя. Краситель имеет свойство однократно изменять отражающую способность диска. При считывании лазерным лучом и фиксируется это изменение отражательной способности.

Перезаписываемые оптические диски — CD-RW. Многократная запись на диске CD-RW (CD-ReWritable) (ReWritable — от англ. Rewrite — перезапись) производится несколько иначе. В данном случае применяется специальный комбинированный слой, который при нагреве лазерным лучом способен многократно менять характеристики. При этом вещество такого слоя может многократно переходить из кристаллического состояния в аморфное и обратно. В кристаллическом состоянии вещество комбинированного слоя хорошо отражает свет лазера, в аморфном — плохо. Изменение отражающей способности фиксируется лазерным лучом при считывании информации с диска.

На компакт-диск можно записать любую понравившуюся музыку, причем прослушивать ее можно не только на компьютере, но и на любом CD-плеере или музыкальном центре с CDдисководом. Если записи делаются для длительного пользования и хранения, то для этого больше подходят более дешевые записываемые диски CD-R.

Записываемый диск CD-R читается с помощью любого дисковода CD-ROM. Запись информации на диски CD-R пред-

158

ставляет собой самый дешевый и оперативный способ хранения больших объемов данных.

Для оперативного хранения информации больше подходят перезаписываемые диски CD-RW.

Цифровой диск общего назначения — DVD. На смену сущест-

вующим компакт-дискам пришел новый стандарт носителей информации — DVD (Digital Versatile Disc), или цифровой диск общего назначения. Его внешний вид и геометрические размеры не отличаются от компакт-дисков. Основное отличие DVDдиска — более высокая плотность записи информации. Он вмещает в семь — десять раз больше информации, чем CD. Этого удалось достичь благодаря более короткой длине волны лазера

èменьшему размеру пятна сфокусированного луча, что дало возможность вдвое уменьшить расстояние между дорожками. Кроме того, DVD-диски могут иметь один или два слоя информации. К ним можно обращаться, регулируя положение лазерной головки. У DVD-диска каждый слой информации вдвое тоньше, чем у CD-диска. Поэтому можно соединять два диска толщиной 0,6 мм в один со стандартной толщиной 1,2 мм. При этом емкость удваивается.

Â1998 г. фирма Sony выпустила на рынок компакт-диски емкостью 2,6 Гбайт и записываемые компакт-диски емкостью 650 Мбайт с возможностью однократной (DVD-R) и даже многократной (DVD-RAM) записи информации. RAM (от англ. Random Access Memory) — память прямого доступа.

Дисководы DVD представляют собой несколько усовершенствованные дисководы CD-ROM.

Внешние устройства ПЭВМ. Эффективность использования ПЭВМ в большой степени определяется количеством и типами внешних устройств, которые могут применяться в ее составе. Внешние устройства обеспечивают взаимодействие пользователя с ПЭВМ. Широкая номенклатура внешних устройств, разнообразие их технико-эксплуатационных и экономических характеристик дают возможность пользователю выбрать такие конфигурации ЭВМ, которые в наибольшей мере соответствуют его потребностям и обеспечивают рациональное решение его задач.

Внешние устройства составляют до 80 % стоимости ПЭВМ

èоказывают значительное (иногда даже решающее) влияние на характеристики машины в целом.

159

Конструктивно каждая модель ПЭВМ имеет так называемый базовый набор внешних устройств: клавиатуру, дисплей, НЖМД и один или два НГМД, — составляющий вместе с системным блоком «базовую конфигурацию» данной модели. Пользователь, как правило, сам подбирает печатающее устройство. В случае необходимости к ПЭВМ могут подключаться и дополнительные внешние устройства, например сканеры, плоттеры или диджитайзеры. В последние годы разрабатываются совершенно новые виды внешних устройств, ориентированные на стремительно растущие запросы пользователей, в частности для приложений в области мультимедиа.

Клавиатура (клавишное устройство) реализует диалоговое общение пользователя с ПЭВМ:

—ввод команд пользователя, обеспечивающих доступ к ресурсам ПЭВМ;

—запись, корректировку и отладку программ;

—ввод данных и команд в процессе решения задач.

Центральную часть клавиатуры обычно занимают клавиши букв латинского и русского алфавитов, служебных знаков («!», ««», «:», «%» и др.), а также цифровые клавиши. В большинстве случаев одна клавиша используется для ввода нескольких разных знаков, причем различие между ними производится путем одновременного нажатия соответствующей клавиши и одной и/или двух служебных функциональных клавиш (обычно — клавиш <Shift>, <Alt>, <Ctrl>). В большинстве моделей клавиатуры (за исключением клавиатуры ПЭВМ классов LAPTOP, NOTEBOOK, HANDHELD) с правой стороны размещается дополнительная цифровая клавиатура, что создает удобства при необходимости частого ввода чисел. По периферии клавиатуры размещаются служебные функциональные клавиши: <Enter>, <Esc>, <Delete>, <Insert>, <Tab> и др., а также «программируе-

мые» функциональные клавиши (<F1> — <F12>). Функциональные клавиши в программах выполняют в основном специальные операции. К примеру, клавиша <Esc> обычно означает

Отменить èëè Вернуть, клавиша <Insert> — Вставить и т. п. Назначение программируемых функциональных клавиш <F1> — <F12> более гибко; как правило, оно определяется в соответствующих программах и приводится в их документации. Служебные клавиши (<Shift>, <Ctrl>, <Alt>) и индикаторы режимов (<Print screen>, <Caps Lock>, <Break>) служат для переключе-

160