- •Глава 2. Технические средства реализации информационных процессов
- •2.1. Принципы построения компьютера
- •2.2. Поколения компьютеров
- •2.3. Основные виды архитектуры эвм
- •2.4. Классификация вм
- •2.5. Устройства персонального компьютера
- •2.5.1. Процессор
- •2.5.2. Системная шина
- •Запоминающие устройства
- •Процессор
- •Основная память
- •2.6. Основные устройства ввода данных
- •2.6.1. Клавиатура и манипуляторы
- •2.6.2. Устройства оптического считывания и сенсорные экраны
- •Основные устройства вывода
- •2.7.1. Видеосистема компьютера
- •2.7.2. Принтеры и графопостроители
- •2.8. Другие устройства
2.5.2. Системная шина
Системная шина - основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой (она, наряду с процессором и запоминающим устройством, во многом определяет производительность работы компьютера). Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются: количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, т.е. максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от ее разрядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-разрядные) и тактовой частоты, на которой шина работает. Системная шина включает в себя:
-
кодовую шину данных, содержащую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда;
-
кодовую шину адреса, включающую провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;
-
кодовую шину инструкций, содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов) во все блоки машины;
-
шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания.
Существует несколько стандартов шин: шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus), шина USB (Universal Serial BUS), шина SCSI (Small Computer System Interface) для соединения устройств различных классов – памяти, CD-ROM, принтеров, сканеров и т.д.
Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:
1) между микропроцессором и основной памятью;
2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;
3) между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).
Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифицированные разъемы подключаются к шине единообразно: непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через дополнительную микросхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления.
-
Запоминающие устройства
В
Процессор
компьютере имеются следующие виды
памяти: регистровая
КЭШ-память (в
переводе с английского означает
«тайник»), основная
память и внешняя
память.
Внутренняя
память
Кэш-память
Основная память
Основная память (ОП) - предназначена для хранения и оперативного обмена информацией со всеми блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство - ПЗУ (ROM – Read Only Memory) и оперативное запоминающее устройство - ОЗУ (RAM - Random Access Memory - память с произвольным доступом). ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию. ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами 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). Объем ОЗУ обычно составляет от 32 до 512 Мбайт, но иногда для сложных задач компьютерного дизайна могут потребовать от 512 Мбайт до 2 Гбайт ОЗУ. Основная память имеет для ОЗУ и ПЗУ единое адресное пространство.
В настоящее время в качестве оперативной памяти используются модули DIMM, RIMM, SO-DIMM и SO-RIMM. Все они имеют разное количество контактов. Модули SIMM сейчас встречаются только в старых моделях материнских плат, а им на смену пришли 168-контактные DIMM. Модули SO-DIMM и SO-RIMM, имеющие меньшее количество контактов, чем стандартные DIMM и RIMM, широко используются в портативных устройствах.
И, тем не менее, скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие процессора, поэтому применяются различные методы для повышения ее производительности. Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, которая называется кэш-памятью.
КЭШ-память - представляет собой небольшой блок быстродействующей, но дорогой памяти, которая располагается как бы «между» процессором и оперативной памятью. Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновременно копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратиться к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая же операция происходит и при записи процессором данных в память. Они записываются в кэш-память, а затем в интервалы, когда шина свободна, переписываются в ОЗУ. Проще говоря, при обращении процессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в КЭШ-памяти. Поскольку время доступа к ней в несколько раз меньше, чем к обычной памяти (а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные содержатся в КЭШ-памяти), среднее время доступа к памяти уменьшается. Управление записью и считыванием данных в кэш-память выполняется автоматически. Когда кэш-память полностью заполняется, то для записи последующих данных устройство управления кэш-памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет данные, которые реже всего использовались процессором на текущий момент. Использование процессором кэш-памяти увеличивает производительность процессора.
Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри процессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет объем порядка 16-128 Кбайт и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня, которая имеет объем порядка 256 Кбайт – 4 Мбайт. И, наконец, кэш-память третьего уровня, расположена на системной плате, ее объем может составлять 2-24 Мбайт. Заметим, что обмен данными с последней происходит не на внутренней частоте МП, а на частоте тактового генератора, которая обычно в 2 - 3 раза ниже, что снижает общее быстродействие компьютера.
Внешняя память - относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач (целостность её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер). В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имеющимися практически на любом компьютере, являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках. Назначение этих накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в оперативное запоминающее устройство. В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте, накопители на оптических дисках и др.
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. В зависимости от типа носителя все ВЗУ можно подразделить на дисковые накопители и накопители на магнитной ленте. Накопители на дисках бывают:
-
накопители на гибких магнитных дисках (флоппи-диски);
-
накопители на жестких магнитных дисках типа «винчестер»;
-
накопители на оптических компакт-дисках;
Магнитная запись в качестве запоминающей среды использует магнитные материалы со специальными свойствами (с прямоугольной петлей гистерезиса), позволяющими фиксировать два магнитных состояния - два направления намагниченности. Каждому из этих состояний соответствуют двоичные цифры: 0 и 1.
Исторически первыми магнитными носителями в машинах 1 и 2 поколения были магнитные ленты (цифровые магнитофоны) и магнитные барабаны. Цифровой магнитофон представлял собой обычный многоголовочный магнитофон, записывающий на широкую ленту. Магнитный барабан - это цилиндр с магнитной поверхностью диаметром около полуметра и емкостью несколько десятков КБ. Еще один вид магнитной записи в ЭВМ 1 и 2 поколения - матрицы из маленьких (около 1 мм) магнитных колец, перемагничивающихся под действием электрического тока. Уже в ЭВМ 3-го поколения такой вид хранения информации перестал использоваться.
Наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами в ПК являются накопители на магнитных дисках (НМД). Диски бывают жесткими и гибкими, сменными и встроенными в ПК. Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом.
Накопители на гибких магнитных дисках.
Гибкий диск (англ. floppy disk), или дискета, - носитель небольшого объема информации. Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом (являющим собой физическую основу записи/считывания) и помещенной в пластиковую упаковку. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки записи/считывания накопителя получают доступ к диску. Информация записывается по концентрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Количество дорожек и секторов зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана. Ёмкость сектора постоянна и составляет обычно 512 байтов. Один или несколько смежных секторов дорожки составляют кластер. В настоящее время наибольшее распространение получили дискеты со следующими характеристиками: диаметр 3,5 дюйма (89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, количество секторов на дорожках 18. Дискета устанавливается в накопитель на гибких магнитных дисках (англ. floppy-disk drive), автоматически в нем фиксируется, после чего механизм накопителя раскручивается до частоты вращения 360 об/мин. За один оборот диска может быть считана информация с одной дорожки. Общее время доступа к информации на диске складывается из времени перемещения головки на нужную дорожку и времени оборота диска. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.
Накопители на жестких магнитных дисках
Накопитель на жёстких магнитных дисках (HDD - Hard Disk Drive) или «винчестер» используется для постоянного хранения информации - программ и данных. В этих накопителях один или несколько жестких дисков (платтеров), изготовленных из сплавов алюминия или керамики (поверхности которых покрыты слоем магнитного материала), вместе с блоком магнитных головок записи/считывания помещены в герметически закрытый корпус. Термин винчестер возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска емкостью 16 Кбайт (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секторов, что случайно совпало с калибром «30/30» известного охотничьего ружья «Винчестер». По сравнению с дисководами для гибких дисков винчестеры обладают рядом ценных преимуществ: объем хранимых данных неизмеримо больше (достигает сотен Гбайт), время доступа у винчестера на порядок меньше (все современные накопители снабжаются встроенным кэшем, который существенно повышает их производительность). Единственный недостаток: они не предназначены для переноса информации на другие компьютеры (это касается стационарных, т.е. встраиваемых в корпус компьютера винчестеров). В настоящее время существуют внешние винчестеры – External Hard Disc Drive, объемом до сотен Гбайт. Очень популярны накопители Flash, которые, как и внешние винчестеры подключаются через USB-порт (они выпускаются объемом 32, 64, 128, 256, 512 Мбайт и более). Физические размеры винчестеров стандартизированы параметром, который называют форм-фактором (form factor). Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска.
Накопители на оптических дисках.
Приводы компакт-дисков (CDD – Compact Disk Drive) необходимый атрибут современного компьютера. Благодаря маленьким размерам, большой емкости и надежности эти накопители становятся все более и более популярными. Существует несколько разновидностей оптических дисков:
-
обычные CD, только для считывания, т.е. устройства ROM;
-
CD-R – диски с возможностью однократной записи;
-
CD-RW – диски с многократной перезаписью;
-
DVD-ROM - только для считывания;
-
DVD-R – с возможностью однократной записи;
-
DVD-RW – с возможностью многократной перезаписи.
Основными достоинствами накопителей на оптических дисках являются:
-
сменяемость и компактность носителей;
-
большая информационная емкость;
-
высокая надежность и долговечность;
-
малая чувствительность к загрязнениям и вибрациям;
-
нечувствительность к электромагнитным полям.
Оптический компакт-диск (CD) появился в 1982 г. Он идеально подходил для записи цифровой информации больших объемов (600-700 Мбайт) на сменном носителе. Запись на компакт-диск при промышленном производстве производится в несколько этапов. Сначала с использованием мощного инфракрасного лазера в стеклянном контрольном диске выжигаются отверстия диаметром 0,8 микрон. По контрольному диску изготавливается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожег отверстия. В шаблон вводится жидкая смола (поликарбонат), и получают диск с таким же набором впадин, что и отверстий в контрольном диске. Со стороны впадин на диск напыляется тонкий слой алюминия, который затем покрывается лаком, защищающим его от царапин. Впадины и площадки (имеющие разную отражательную способность) записываются на диск по спирали. 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). Отражающим слоем у них служит тонкий слой позолоты. Между слоем позолоты и слоем поликарбамидной смолы вводится слой красителя. На диске без записи этот слой красителя бесцветен, но под воздействием лазерного луча краситель темнеет, образуя пятна, которые при воспроизведении воспринимаются как выступы. Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи - CD-ReWritable (CD-RW). На этих дисках слой красителя может находиться в двух состояниях: кристаллическом и аморфном. Эти два состояния имеют разную отражательную способность. Лазер устройства имеет три уровня мощности. При записи мощность лазерного диода повышается и расплавляет слой красителя, переводя его в аморфное состояние с низкой отражательной способностью, что соответствует выступу (запись информации). При средней мощности краситель плавится и переходит в кристаллическое состояние с высокой отражательной способностью (стирание информации). Низкая мощность лазера используется для считывания информации. Дальнейшее развитие технологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи - цифровой универсальный диск Digital Versatile Disk (DVD). Впадины на них имеют меньший диаметр (0,4 микрона), а спираль размещается с плотностью 0,74 микрона между дорожками (вместо 1,6 микрон у CD). Это позволило увеличить объем информации на диске до 4,7 Гбайт. Дальнейшее увеличение объема информации обеспечивается применением двусторонних DVD.
К недостаткам дисковой памяти можно отнести наличие механических движущих компонентов и большую потребляемую мощность при записи и считывании. Появление большого числа цифровых устройств (цифровых фото- и видеокамер, карманных компьютеров и т.д.) потребовало разработки миниатюрных устройств внешней памяти, которые обладали бы малой энергоемкостью, небольшими размерами, значительным объемом и обеспечивали бы совместимость с персональными компьютерами. Первые промышленные образцы такой памяти появились в 1994 г. Новый тип памяти получил название флэш-память (Flash-Memory). Флэш-память представляет собой микросхему энергонезависимого, перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства с произвольным доступом и неограниченным числом циклов перезаписи. Она используется как для создания быстродействующих, компактных запоминающих устройств – «твердотельных дисков», так и для замены ПЗУ.
Накопители на магнитной ленте. Как отмечалось, исторически первыми магнитными носителями в машинах 1 и 2 поколения были магнитные ленты (цифровые магнитофоны) и магнитные барабаны. В универсальных ЭВМ широко использовались и используются накопители на бобинной магнитной ленте, а в персональных ЭВМ - накопители на кассетной магнитной ленте. Последние весьма разнообразны: они отличаются как шириной применяемой магнитной ленты, так и конструкцией и носят название стримеров. Стримеры просты в использовании и обеспечивают самое дешевое хранение данных. Основными преимуществами кассетной ленты по сравнению с другими носителями информации является ее относительно малая стоимость и большой объем памяти. Главный же недостаток ее состоит в том, что на доступ к информации затрачивается больше времени, чем при других видах памяти.
Итак, персональные ЭВМ имеют четыре иерархических уровня памяти: микропроцессорную память, регистровую КЭШ-память (1-го и 2-го уровней), основную память, внешнюю память.
Тип памяти |
Емкость |
МПП |
Десятки байт |
КЭШ-память |
Сотни Кбайт |
ОП ОЗУ ПЗУ |
Десятки Мбайт – единицы Гбайт Сотни Кбайт |
ВЗУ НГМД НЖМД CD-ROM |
Единицы Мбайт Сотни Гбайт Сотни Мбайт – единицы Гбайт |
Следует сказать, что кроме постоянной памяти и обычной оперативной памяти, в IBM PC - совместимых компьютерах имеется также небольшой блок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Эта часть памяти («Setup») является энергонезависимой, т.е. питается от отдельной батареи, и в ней содержатся параметры настройки конфигурации компьютера, например, типы жестких дисков и дисководов для дискет и т.д. Содержимое этой памяти (которую называют иногда полупостоянной) не изменяется при выключении электропитания компьютера, поскольку для ее электропитания используется специальная батарея, срок годности которой обычно несколько лет. При замене батареи необходимо обновлять основные установки.