2.2.3. Внутренние шины

Общая шина, наряду с центральным процессором и запоминающим устройством, во многом определяет производительность работы компьютера, так как обеспечивает обмен информацией между функциональными узлами. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных, шина управления. Каждая шина характеризуется:шириной– числом параллельных проводников для передачи информации;тактовой частотой– частотой, на которой работает контроллер шины при формировании циклов передачи информации.

Шина адресапредназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Ширина шины адреса определяет максимальное количество ячеек, которое она может напрямую адресовать. Если ширина шины адресаn, то количество адресуемой памяти равно 2ⁿ.

Шина данныхпредназначена для передачи команд и данных, и ее ширина во многом определяет информационную пропускную способность общей шины. В современных компьютерах ширина шины данных составляет 32 – 64.

Шина управлениявключает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. Ее ширина зависит от типа шины и определяется алгоритмом ее работы илипротоколомработы шины. Протокол работы шины состоит из нескольких циклов и выполняется контроллером шины, расположенным внутри процессора (рис. 2.2.1.), или отдельным контроллером шины (рис. 2.1.11.).

Разработчики предлагают включать в состав компьютера дополнительные шины, связывающие напрямую центральный процессор и отдельные наиболее быстродействующие устройства. Такие шины получили название локальных шин. На рис. 2.1.11 локальные шины используются для подключения к процессору запоминающего устройства и видеоконтроллера.

Основные характеристики общих и локальных шин, применяемых в ПК фирмы IBM.

Общая шина PCIприменяется в настольных компьютерах, в настоящее время используется модификацияPCI2/1/ Тактовая частота контроллера этой шины 66 МГц, ширина шины адреса – 32, а шины данных – 64 разряда.Пиковая пропускная способность шины 528 Мбайт/с.

Общая шина PCMCIAприменяется в переносных компьютерах класса ноутбук и имеет параметры, сравнимые с параметрами шиныPCI/

Локальная шина для подключения видеоконтроллера AGPпозволяет организовать непосредственную связь видеоконтроллера и оперативного запоминающего устройства. Она ориентирована на массовую передачу видеоданных. Имеет конвейерную организацию выполнения операций чтения/записи, что позволяет избежать задержек при обращении к модулям памяти. За один такт работы может передать два, четыре или восемь блоков данных, в зависимости от установленного режима работы. При установке режима параллельной передачи восьми блоков обеспечивает пиковую скорость передачи 2112 Мбайт/с.

2.2.3. Внешние запоминающие устройства

В отличие от оперативного запоминающего устройства, внешние запоминающие устройства (ВЗУ) обладают большим объемом сохраняемой информации и являются энергонезависимыми. Наибольшее распространение получили дисковые ВЗУ, которые, в зависимости от типа носителя, можно разделить на магнитные, оптические и смешанные.

Магнитные дискииспользуют магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два состояния. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагом, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси. Головка считывает или записывает информацию, расположенную на концентрической окружности, которая называетсядорожкой илитреком. Каждая дорожка дополнительно разбивается на ряд участков – секторов. Сектор содержит минимальные блок информации, который может быть записан или считан с диска. Чтение и запись на диск осуществляется блоками, поэтому дисководы называют блочными устройствами.

Физическая структура дискаопределяется количеством дорожек и числом секторов на каждой дорожке. Она задается при форматировании диска, которое выполняется специальными программами и должна быть произведена перед первым использованием диска для записи информации.

Кроме физической структуры диска, говорят еще о логической структуре. Логическая структура определяется файловой системой, которая реализована на диске и зависит от операционной системы компьютера, на котором используется данный диск.

Организация файловой системы на магнитных носителях.

Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы – табличный. Поверхность диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхностей, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT- таблицах). Нарушение FAT-таблицы приводит к невозможности воспользоваться данными, поэтому она существует в двух экземплярах, идентичность которых регулярно контролируется средствами операционной системы.

Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор. Размер сектора равен 512 байт. Размер FAT-таблицы ограничен, поэтому для дисков, размер которых превышает 32 Мбайт, обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору не представляется возможным. В связи с этим группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации к данным. Размер кластера не фиксируется и зависит от емкости диска.

Операционные системы MSDOS,OS/2,Windows95 иWindowsNTреализуют 16-разрядные поля в таблицах размещения файлов. Такая файловая система называетсяFAT-16. Она позволяет разместить вFAT-таблицах не более 65536 записей (2¹⁶) о местоположении единиц хранения данных и для дисков объемом от 1 до 2 Гбайт длина кластера составляет 32 Кбайт (64 сектора). Это не вполне рационально, т.к. любой файл (даже очень маленький) полностью оккупирует весь кластер, которому соответствует только одна адресная запись вFAT-таблице. Даже если файл велик и располагается в нескольких кластерах, все равно в его конце образуется остаток, нерационально расходующий целый кластер.

Для современных жестких дисков потери, связанные с неэффективностью файловой системы могут составлять от 25 до 40% полной емкости диска в зависимости от среднего размера хранящихся файлов. С дисками более 2 Гбайт файловая система FAT-16 вообще работать не может.

Современные операционные системы, начиная с Windows98, обеспечивают более совершенную организацию файловой системы –FAT-32 с 32-разрядными полями в таблицах размещения файлов. Для дисков размера до 8 Гбайт эта система обеспечивает размер кластера 4 Кбайт (8 секторов).

Дисководы магнитных дисков делятся на дисководы для сменных носителей (дискет) и дисководы жестких дисков (винчестеры), которые устанавливаются в системном блоке компьютера. Все сменные носители на дисках характеризуются диаметром или форм-фактором. Наибольшее распространение получили шибкие магнитные диски с форм-фактором 3,5 дюйма.

Накопители на оптических дисках

Оптический компакт-диск, который был предложен в 1982 г. фирмами PhilipsиSonyпервоначально для записи звуковой информации, идеально подходил для записи цифровой информации больших объемов на сменном носителе. Объем информации, записанной на компакт-диске, составляет 600-700 Мбайт. К достоинствам можно отнести и его относительную дешевизну, высокую надежность и долговечность, нечувствительность к загрязнению и воздействию магнитных полей.

В середине 90-х гг. появились устройства, устанавливаемые непосредственно на компьютере и позволяющие производить однократную запись информации на компакт-диск. Для таких устройств выпускают специальные компакт-диски, которые получили название CD-Recodable(CD-R).

Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи – CD-ReWritable(CD-RW).

Дальнейшее развитие технологии производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи – цифровой универсальный диск DigitalVersatileDisk(DVD). Объем записываемой информации на диске достигает 4,7 Гбайт. Дальнейшее увеличение объема информации обеспечивается применением двустороннихDVD.

Флэш-память.

К недостаткам дисковой памяти можно отнести наличие механических движущихся компонентов, имеющих малую надежность, и большую потребляемую мощность при записи и считывании. Появление большого числа цифровых устройств (МР3-плееры, цифровые фото- и видеокамеры, карманные компьютеры) потребовало разработки миниатюрных устройств внешней памяти, обладающих малой энергоемкостью, значительной емкостью и обеспечивали бы совместимость с персональными компьютерами. Первые промышленные образцы такой памяти появились в 1994 г. и получили название флэш-память.

Флэш-память представляет собой микросхему перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) с неограниченным числом циклов перезаписи. Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельного блока, содержащего микросхему флэш-памяти и контроллер, для подключения к одному из стандартных входов компьютера. Размеры этого блока 40 х 16 х 7 мм. Флэш-память, используемая в других цифровых устройствах, имеет иные размеры и конструктивное оформление. В настоящее время объем флэш-памяти достигает нескольких Гбайт, скорость записи и считывания составляют десятки Мбайт/с.