Л Е К Ц И Я 4. Оперативная память.

Л Е К Ц И Я 1. Введение.

Информатика - это наука о способах и методах представления, обработки, передачи и хранения информации с помощью ЭВМ. (fr. informatique, eng. - computer science).

Информация связывается с определённым объектом, свойства которого она отражает.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАТИКИ:

Офисное

Промышленное

Мультимедийное

Разработка ПО

Научное исследование

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Началась тогда, когда сформировалось понятие числа. "Цифра" во многих языках происходит от «пальца». Палец - первая ВМ.

Далее - абак (счёты по 5 косточек в ряду). Задача считалась решённой, только если было указано, как необходимые вычисления выполнить на абаке.

В 17 в. появились первые механические счётные устройства и машины:

20-е: английский математик Уильям Олтред придумал логарифмическую линейку.

1632 г. - немецкий учёный Вильгельм Шиккард изобрёл первый счётный механизм.

1642 г. - Блез Паскаль создал суммирующую машину ("паскалину"). Это механическое устройство - ящик с многочисленными шестерёнками. При работе на нём складываемые числа вводились путём соответствующего поворота наборных колёсиков. Каждое колёсико с нанесённым на него делением от 1 до 10 соответствовало одному десятичному разряду числа. Избыток над 9 колёсико переносило, совершая полный оборот и продвигая соседнее слева старшее колёсико на 1 вперёд. Другие операции выполнялись путём неудобной процедуры повторных сложений.

1673 г. - Вольфрид Вильгельм Лейбниц создал арифмометр, выполнявший 4 арифметических действия. Является одним из основоположников дифференциального и интегрального исчислений. Также разработал двоичную систему счисления, которая легла в основу автоматизации вычислений в современных компьютерах.

1832 г. - коллежский советник Семён Николаевич Корсаков подал в Академию наук в СПб описание изобретённой им машины. Сам он называл её машиной для сравнения идей. Сейчас это можно назвать системой информационного поиска, или же средством для образования баз данных. Основные носители информации в этой машине: перфокарты.

1-я половина 19 в. - англичанин Чарлз Бэббидж разработал конструкцию машины, которую можно было назвать первым компьютером. Устройство компьютера по его чертежам было описано Адой Лавлебс. Она же разработала теорию программирования. Написала несколько программ для ещё несуществующей ВМ. Основные части машины Бэббиджа: 1) устройство для ввода данных, запоминающее устройство (склад), способное хранить исходные данные и промежуточные результаты, 2) арифметико-логическое устройство (мельница), выполняющее арифметические и логические операции, 3) устройство управления, руководящее перемещением со склада на мельницу и обеспечивающее выполнение нужных действий в нужном порядке по заданной программе, 4) устройство для вывода результата

АРХИТЕКТУРА СОВРЕМЕННЫХ КАМПУХТЕРОВ

Архитектура фон Неймана - кибернетика. В 1945 г. Джон фон Нейман выступил с докладом, где были сформулированы основные принципы организации нового вычислительного устройства, получившей название "архитектура фон Неймана".

{см. чертёж в тетради}

УПРАВЛЯЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО

Помещает в ОП коды программы с ВВ

Считывает из ячейки ОП и организует выполнение 1-й команды программы

Определяет очерёдность команды и организует её выполнение

Постоянно синхронизирует работу устройств, имеющих различную скорость выполнения операций путём приостановки выполнения программы.

Норберт Винер, работая с фон Нейманом, обратил внимание на то, что процессы, управляющие сложной электронной системой, аналогичны процессам нейрофизиологии, изучающей целенаправленную деятельность живых существ. Существование обратной связи позволяет рассматривать сложные системы различной природы (физической, социальной, биологической) с единой точки зрения. Это и есть основа кибернетики. Кибернетика - греч. "искусство управления кораблём". Сегодня под кибернетикой понимают серию научных дисциплин, изучающих общие законы управления и взаимосвязей, действующих в системах различной природы.

ГАРВАРДСКАЯ АРХИТЕКТУРА

Это архитектура ЭВМ, отличительным признаком которой является раздельное хранение и обработка команд и данных. Архитектура была разработана Говардом Эйконом в конце 1930-х в Гарвардском университете. Гарвардская архитектура делится на:

КЛАССИЧЕСКАЯ ГАРВАРДСКАЯ АРХИТЕКТУРА

Типичные операции сложения и умножения требуют от любого вычислительного устройства нескольких действий: выборку 2 операндов, выбор инструкции и её выполнение и сохранение результата. Идея, реализованная Эйконом, заключалась в физическом разделении линии передачи команд и данных. Это позволяло одновременно пересылать и обрабатывать команды и данные, благодаря чему значительно повышалось общее быстродействие.

МОДИФИЦИРОВАННАЯ ГАРВАРДСКАЯ АРХИТЕКТУРА

При разделении каналов и передачи адресов и данных на кристалле процессора он должен иметь в 2 раза больше выводов. Решение: использовать общую шину данных и шину алореса... адреса для всех внешних данных, а внутри процессора использовать шину данных, шину команд и 2 шины адреса. Шина - совокупность проводов, скопленных в один. Такой подход применяется в современных сигнальных процессорах. Разделение шин в модифицированной гарвврдской скульптуре осуществляется при помощи раздельных управляющих сигналов: чтения, записи или выбора области памяти.

РАСШИРЕННАЯ ГАРВАРДСКАЯ АРХИТЕКТУРА

Часто требуется выбрать 3 составляющие: 2 операнда и инструкцию. Для этого существует кэш-память. В ней может храниться инструкция => обе шины остаются свободными, и появляется возможность передать 2 операнда одновременно. Использование кэш-памяти вместе с разделёнными шинами получило название Super Harvard Architecture (SHARC)

ГИБРИДНЫЕ МОДИФИКАЦИИ (сочетание гарвардской и фон-неймовской)

Отдельные CIS-процессоры обладают раздельной кэш-памятью 1 уровня для инструкции и данных, что позволяет за 1 такт получить как команду, так и данные для её выполнения

Процессорное ядро выполняется гарвардским, но с программной точки зрения выглядит как фон-неймовская что упрощает написание программы. Обычно в данных процессорах одна шина используется и для передачи команд, и для передачи данных. Это упрощает конструкцию в системе.

ПОКОЛЕНИЕ КОМПЬЮТЕРОВ

1) Начало 50-х годов XX. Основной элемент - электронная лампа. В СССР лучшая машина имела скорость до 2000 операций/с.

2) Середина 50-х годов XX. Элементная база на полупроводниках. Долговременные запоминающие устройства на магнитных лентах начали применять в области программирования высокого уровня, таких как ФортРан. Скорость лучшего в СССР компьютера - 1 млн операций/с.

3) Середина 60-х. Вместо транзисторов используются малых интегральных систем. Появляются магнитные диски. В СССР скорость мощной машины достигает 10 млн операций/с.

4) 70-е. Микропроцессоры на базе больших интегральных схем. Создаются персональные компьютеры. Скорость обработки данных - до 50 млн операций/с.

5) 80-е и далее. Сверхбольшие, ультрабольшие и гигабольшие и не за большие интегральные схемы. Скорость обработки - 100 млн операций/с.

ЭВОЛЮЦИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ.

Совокупность методов, производственных и программно-технических средств, объединённых в технологическую цепочку, обеспечивающую сбор, хранение, обработку, вывод и распространение информации для снижения трудоёмкости процесса использования информационных ресурсов, повышения надёжности и оперативности.

 

Л Е К Ц И Я 2. Хранение данных.

Биты и их хранение.

В современной компьютерной науке информация представляется как последовательность битов.

Бит - это двоичный разряд, является одним из чисел 0 или 1. Последовательность битов может использоваться для представления числовых данных, иногда они обозначают буквы или другие символы, иногда изображение.

Хранение битов в машине требует устройства, которое может находиться в двух состояниях, например включён или выключен, если это выключатель, или представить как реле открыто или закрыто. Одно из состояний используется для обозначения нуля, второе для обозначения единицы.

Двоичная система исчисления.

Это системы исчисления в которой натуральные числа записываются с помощью всего лишь двух символов, ноль и единица.

Двоичная система используется в цифровых устройствах, поскольку является наиболее простой и соответствует требованиям.

Чем меньше значений существует в системе, тем проще изготовить отдельные элементы, оперирующие этими значениями, например две цифры двоичной системы исчисления могут быть легко представлены многими физическими явлениями, например есть ток или нет тока, индукция магнитного поля больше пороговой величины или нет.

Чем меньше кол-во состояний у элементов, тем выше помехоустойчивость, и тем быстрее он может работать.

В основе сложения чисел в двоичной системе лежит таблица сложения одноразрядных двоичных чисел

0+0=0

0+1=1

1+0=1

1+1=10

[Изображение 46.jpg]

При сложении двух единиц происходит переполнение разряда и производится перенос в старший разряд.

Переполнение разряда наступает тогда, когда величина числа становится равной и большей основания систем исчисления. Для двоичной систем исчисления это больше или равное двум.

Гулева алгебра.

При работе с двоичными данными используются следующие логические операции: AND, OR, XOR( и, или, исключающее или).

Эти операции схожи с арифметическими операциями умножения и сложения тем, что они так же объединяют пару значений на входе, чтобы породить третье значение на выходе. Однако в отличии от арифметических операций они манипулируют только числами 0 и 1.

Число 0 имеет значение ложь, 1 значение истина. Операции, которые манипулируют значениями истина и ложь, называют Гулевыми операциями

Гулева алгебра - это раздел математики в котором изучаются логические операции над высказываниями

[Изображение 47.jpg]

Входные данные оператора AND отражают истинность или ложность компонентов сложного высказывания. Утверждение вида Х1 и Х2 истинно только тогда, когда обе его части истинны, то есть на выходе операции единицы и единицы должно быть один, в остальных результатах ноль.

Аналогично с оператором OR, является истинным тогда, когда по крайней мере один из его компонентов является истинным.

В английском языке нет отдельного союза, который передавал бы значение операции XOR, результатом этой операции является единица, когда одно значение на входе является единицей, а другое равно нулю, или наоборот. Высказывание вида Х1 и Х2, но не оба.

След операция Гуля NOT, отличается тем, что на входе имеет только одно значение, на выходе получится противоположное значение.

Вентили - это устройство, которое порождает результат какой-либо Гулевой операции, при данных входных значениях.

Вентили могут быть построены с применением различных технологий, таких как механические устройства, реле различных типов, оптические механизмы.

В современных механизмах реле являются небольшие электронные схемы, в которых числа 0 и 1 представлены как уровни напряжения.

Шестнадцатеричная система исчисления.

Когда мы рассматриваем процессы, происходящие внутри компьютера, нам приходится иметь дело с цепочками битов, некоторые из которых могут быть очень длинными. Такую цепочку битов часто называют "Потоком".

Для того, чтобы упростить представление таких последовательности видов, используется более краткая запись, называемая шестнадцатеричной системой исчисления.

Преимущества:

Длина последовательности битов в машине имеет

 тенденцию быть кратной четырём.

Шестнадцатеричная система использует один символ для последовательности из четырёх битов.

[Изображение 48.jpg]

Устройство современного компьютера.

На основной электронной плате, системной или материнской, размещены только блоки, которые осуществляют обработку информации.

Процессор возможно математический сопроцессор, контроллеры, микросхемы оперативной памяти.

Схемы, управляющие всеми остальными устройствами компьютера, реализованы на отдельных платах, которые вставляются в стандартные разъёмы, слоты, на системной плате.

К этим электронным схемам подводится электропитание из единого блока питания, а для удобства и надёжности всё это заключается в общий металлический или пластиковый корпус - системный блок.

Компьютер состоит из разрозненных частей. Для того, чтобы он работал как единый механизм, необходимо осуществлять обмен данными между различными устройствами. За это отвечает системная магистральная шина. К ней через контроллеры подключены внешние устройства, которые обмениваются данными с оперативной памятью.

Обмен данными между устройствами ЭВМ обусловлен ограничением функций, выполняемых этими устройствами, и должен быть запрограммирован.

Выполняемая программа хранится в оперативной памяти компьютера и через системную шину передаёт в процессор команды на выполнение определённых операций. Процессор на их основе формирует свои команды управления, которые по системной шине поступают на соответствующие устройства.

Для выполнения операции обработки данных процессор передаёт в оперативную память адреса необходимых данных и получает их, результаты обработки направляются в оперативную память.

Данные из оперативной памяти могут быть переданы на хранение во внешние запоминающие устройства, или для отображения на дисплее, или вывод на печать, или передача в вычислительную сеть.

Ведро персонального компьютера образует процессор, центральный микропроцессор и основная память, состоящая из оперативной памяти и запоминающего устройства или перепрограммироваемого запоминаемого устройства.

Подключение всех внешних устройств осуществляется через контроллеры, адаптеры или карты, имеют свой процессор и свою память, то есть представляют собой специализированный процессор.

Энергозависимое перезаписываемые компьютерное записывающее устройство

Дискета - накопитель на гибких магнитных дисках

Портативный магнитный носитель информации используемый для многократного хранения информации

Л Е К Ц И Я 3. Микропроцессор.

Центральный процессор (центральное вычислительное устройство) - исполнитель машинных инструкций, часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера, отвечающий за выполнение операций, заданных программами.

ЦП - ядро персонального компьютера. Современные ЦП, выполняемые в виде отдельных микросхем, реализующие все особенности, присущие данного рода устройствам, называют микропроцессорами. Ранние ЦП создавались в виде уникальных составных частей для компьютерных систем. Позже от дорогостоящего способа разработки процессоров, предназначенной для выполнения одной единственной узко специализированной программы, производители компьютеров перешли к серийному изготовлению типовых классов многоцелевых процессорных устройств. Создание микросхем позволило ещё больше увеличить сложность ЦП, с одновременным уменьшением их физических размеров.

КОМПОНЕНТЫ МИКРОПРОЦЕСОРА

Арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции.

Устройство управления, управляющее всеми устройствами ПК.

Регистры для хранения данных и адресов.

Схема управления шиной и портами, она осуществляет подготовку устройств к обмену данными между микропроцессором и портом ввода-вывода, а также управляет шиной адреса и управлением.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОРА.

Разрядность - число двоичных разрядов, одновременно обрабатываемых при выполнении одной команды.

Тактовая частота - количество циклов работы устройства за единицу времени. Чем выше тактовая частота, тем выше производительность.

Наличие встроенного математического сопроцессора.

Наличие и размер кэш-памяти.

Для временного хранения информации в процессоре содержатся ячейки (регистры), которые похожи на ячейки оперативки. Они делятся на регистры общего назначения и специальные регистры. Первые служат для временного хранения данных, обрабатываемых ЦП. Они хранят входные данные схемы арифметико-логического устройства и обеспечивают область памяти для хранения результата. Устройство управления передаёт данные из оперативки в регистры общего назначения, информирует арифметико-логическое устройство о том, в каких регистрах хранятся данные, активирует соответствующую схему в АЛУ и сообщает ему, в каком регистре должен храниться результат.

{чертёж в тетради}

Для передачи двоичного кода в центральный процессор и оперативная память компьютера соединены набором проводов - шиной. С помощью этой шины процессор может извлекать или считывать данные из оперативки, посылая вместе с сигналом считывания адрес ячейки памяти. Таким же образом ЦП может поместить или записать данные в память, посылая вместе с сигналом записи адрес ячейки и данные которое нужно сохранить в этой ячейке. Вследствие такого строения компьютера задача сложения двух значений, хранящихся в оперативке, представляет собой больше, чем простое выполнение операции сложения. Весь процесс сложения двух чисел из оперативки можно разделить на 5 шагов:

Взять одно из значений из памяти и поместить его в регистр

Взять другое значение из памяти и поместить его в другой регистр

Активировать схему сложения, на входе которой будут данные из регистров, описанных в шагах 1 и 2

Сохранить результат в памяти

STOP

Ранние компьютеры не были гибкими. Шаги, которые выполняло устройство, были встроены в центральный процессор и являлись частью машины. Сделали коммутативный переход. Прорыв в этой области произошёл с осознанием того, что программу, так же, как и данные, можно закодировать и сохранить в памяти. Если построить ЦП таким образом, чтобы он извлекал программу из памяти, декодировал инструкции и выполнял их, то последовательность действий компьютера можно изменить, просто поменяв содержимое части его памяти, не заменяя весь ЦП.

КЭШИРОВАНИЕ

Это использование дополнительной быстродействующей памяти (кэш-памяти) для хранения копий блоков информации из основной памяти, вероятность обращения к которым в ближайшее время велика. Различают кэши 1-го, 2-го и 3-го уровне

· й. Кэш 1 уровня имеет наименьшую латентность (время доступа), но малый размер. Кэши 1 уровня часто делают много портовым. Кэш 2 уровня обычно имеет значительно большую латентность доступа, но его можно сделать значительно больше по размеру. Кэш 3 уровня - самый большой по объёму и довольно медленный.

МАШИННЫЙ ЯЗЫК

Для того, чтоб можно было применить принцип хранимой программы, ЦП должен уметь распознавать инструкции, представленные в двоичном коде. Этот набор указаний, вместе с системой кодирования, называется машинным языком. Инструкции, написанные на этом языке, называются машинными командами.

СИСТЕМА КОМАНД

Различают 2 подхода к тому, каким должен быть ЦП. При 1 подходе считается, что центральный процессор должен выполнять минимальный набор машинных команд. Результатом является вычислительная машина с сокращённым набором команд (RISC). В защиту такого процессор приводится аргумент, что такой процессор является эффективным и быстродействующим. При 2 подходе процессор способен выполнять большое количество сложных команд, даже если многие из них избыточны. Результат - CISC, вычислительная машина со сложным набором команд. Здесь считается, что более сложный процессор легче программировать, т.к. можно обойтись одной командой для выполнения задачи, которая в RISC-процессоре потребовала бы длинной последовательности команд. И 1-й, и 2-й процессоры выпускаются серийно.

Все машинные команды можно разделить на 3 группы:

Команды передачи данных,

Арифметико-логические команды,

Команды управления.

КОМАНДЫ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

В эту группу входят команды, которые предписывают перемещение данных из одного места в другое. Данные при перемещении из одной ячейки в другую не удаляются из исходной ячейки. Процесс передачи данных больше похож на копирование данных, а не на их перемещение. Для передачи данных между ЦП и оперативкой существуют специальные термины. Требование заполнить регистр общего назначения содержимым ячейки памяти обычно называют командой загрузки. Обратный процесс - команда сохранения. Группа команд, входящая в команды передачи данных, включает в себя инструкции для связи с внешними устройствами ЦП. Поскольку с помощью этих команд осуществляются процессы ввода/вывода из него, то они называются командами ввода и вывода.

АРИФМЕТИКО-ЛОГИЧЕСКИЕ КОМАНДЫ

В эту группу входят команды, которые приписывают устройству управления активизировать арифметико-логическое устройство. АЛУ выполняет не только простые арифметические и логические (AND, OR, XOR). Эти операции часто используются для манипуляции отдельными битам регистра, не затрагивая остальных. Другие операции, доступные в большинстве АЛУ, позволяют сдвигать содержимое регистра вправо или влево. Они называются операциями сдвига или циклического сдвига. Зависят от того, удаляются ли биты, находящиеся на конце регистра, в направлении сдвига, или используются в заполнении пространства на другом его конце.

КОМАНДЫ УПРАВЛЕНИЯ.

В эту группу входят команды, которые управляют выполнением программ, а не манипулируют данными. Эта группа включает такие машинные команды, как команды перехода или ветвления. Они предписывают устройству управления выполнять не следующую инструкцию, а какую-нибудь другую. Команды перехода разделяются на команды безусловного и условного перехода.

 

Л Е К Ц И Я 4. Оперативная память.

Для хранения данных в компьютере содержится огромное количество схем, каждая из которых способна хранить один вид информации. Это хранилище битов называют оперативной памятью машины. Оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) - это область памяти, предназначенная для хранения информации в течение одного сеанса работы с компьютером. Конструктивно ОЗУ выполнено в виде интегральных микросхем. Из неё процессор считывает программы и исходные данные для обработки в свои регистры. В неё записывает полученные результаты. Название "оперативная" память получила потому, что работает очень быстро. В результате процессору не приходится ждать при чтении или записи данных в память.

СТРУКТУРА ПАМЯТИ.

Запоминающие схемы в оперативке компьютера объединены в управляемые единицы, которые называются ячейками памяти. При этом стандартный размер ячейки равен 8 битам (1 байту). Левый конец этой строки называется старшим концом, правый - младшим. Последний бит старшего конца - старший бит (разряд), правого конца - младший.

Для того, чтобы идентифицировать ячейки в оперативке, каждой из них приписывается уникальное имя - адрес. Используются только числовые адреса. Ячейки памяти расположены в ряд и пронумерованы в порядке, начиная с 0. Такая система адресации позволяет не только определить ячейку памяти, но также упорядочивает их. Т.к. все ячейки упорядочены, все биты в оперативке выстроены в длинный ряд, следовательно, части этого ряда могут использоваться для хранения последовательности битов, длина которых больше длины одной ячейки памяти. Например, память разделена на ячейки размером 1 байт, то мы можем хранить цепочку из 16 битов в 2-х последовательно расположенных ячейках. Другим следствием представления оперативки в виде упорядоченных ячеек является возможность индивидуального доступа к к каждой ячейке. Т.е. данные, хранящиеся в оперативной памяти компьютера, могут обрабатываться в случайном порядке. Это объясняет то, что оперативку часто называют памятью с произвольным доступом. Произвольный доступ к небольшим единицам данных, россосиссия - это отличие оперативки от устройств хранения данных. Когда оперативна память построена с использованием технологии динамической памяти, её называют динамической памятью с произвольным порядком выборки. Для заполнения оперативной памяти схема, которая в действительности хранит биты, объединяется со схемой, необходимой для того, чтоб остальные темы могли хранить и получать данные из ячеек памяти. Таким образом, другие схемы могут получать данные с памяти, запрашивая содержимое ячейки по определённому адресу. Это операция чтения. Или они могут записывать информацию в память, требуя, чтобы определённая последовательность битов была помещена в ячейку по определённому адресу. Это операция записи.

ИЗМЕРЕНИЕ ЁМКОСТИ ПАМЯТИ

Удобно конструировать оперативку, в которой общее число ячеек является степенью двух. Раньше оперативка насчитывала 1024 ячейки (2^10). Т.к. 1024 близко к 1000, вошла в обиход информатиков приставка КИЛО. Килобайт - это 1024 байта.

Чтобы прояснить ситуацию, было решено сохранить приставки КИЛО, МЕГА и ГИГА для единиц, которые являются степенью 10, и вести новые приставки (КИБИ, МЁБИ, ГИБИ - кило-, мега- и гигабинарные). Они поменяются к соответствующим единицам, которые являются степени 2. Т.е. Килобайт=1000 байт, Кибибайт=1024 байта. Но это уже не в обиходе.

УСТРОЙСТВО ХРАНЕНИЯ ПАМЯТИ.

Из-за зависимости от питания обнуляется при отключении питания и ограниченного размера оперативной памяти компьютера. Большинство машин снабжены устройствами хранения данных. Основными отличиями устройства хранения данных от оперативки являются их независимости от питания, большая ёмкость и в большинстве случаев автономность, возможность перемещать в перемещаемую среду независимо от компьютера. Термины "неавтономный" и "автономный" часто применяются для описания отношений между устройством и компьютером. Неавтономное устройство означает, что устройство или информация

присоединены и доступны для машины без вмешательства человека. Автономное - что требуется вмешательство человека для того, чтоб устройство или информация могли быть доступны для машины. Главным недостатком устройств хранения данных является то, что они требуют механического движения, а значит, обладают большим временем отклика, сравнению с оперативкой, которая является электронной.

МАГНИТНЫЕ ДИСКИ.

Одним из наиболее распространённых запоминающих устройств является магнитный диск, в котором  вращающийся диск с магнитным покрытием используется как носитель информации. Головки чтения записи располагаются над или под диском так, что, когда диск вращается, каждая головка очерчивает кольцо на нижней или верхней, или нижней поверхности диска - дорожки. При различном положении головок чтения записи осуществляется доступ к различным дорожкам. В большинстве случаев запоминающая система состоит их нескольких дисков, установленных на общем шпинделе, один над другим на расстоянии, достаточном для прохождения между ними головок чтения записи. Каждый раз, когда положение головок чтения записи меняется, становится доступным новый набор дорожек - цилиндр. Т.к. дорожка может содержать больше информации, кидая из них разделена на дуги - сектора. На сектора информация записывается в виде непрерывной последовательности битов. Каждая дорожка в накопителе на дисках содержит одинаковое количество секторов, и каждый сектор содержит одинаковое количество битов. Расположение дорожек и секторов не является постоянной частью физической структуры диска. Они размечаются в процессе форматирования. Ёмкость накопителя на дисках зависит от числа используемых дисков и плотности расположения дорожек и секторов. Системы малой ёмкости состоят из одного пластмассового диска, покрытого с двух сторон тонким слоем специального магнитного материала. Это дискеты, а также гибкие диски. Диски большой ёмкости способны вмещать гигабайты информации. Они состоят из 5-10 жёстких дисков, установленных на общем шпинделе. Из-за того, что диски используемы в этих устройствах, жёсткие, и само устройство называется жёстким диском. Для большей скорости вращения головки чтения записи в этих устройствах не соприкасаются с диском, а плавают. над его поверхностью. Расстояние между головкой и диск настолько мало, что даже пылинка может помешать работе и разрушить диск. Поэтому накопители для жёстких дисков помещают в футляр, запаянный на заводе.

ПАРАМЕТРЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА НАКОПИТЕЛЯ НА ДИСКАХ

Время поиска - это время, которое требуется для перемещения записи с одной дорожки на другую

Задержка, связанная с вращением, или время ожидания. Это половина времени, необходимая для того, чтобы диск совершил полный оборот

Время доступа - сумма времени потока и времени ожидания

Скорость передачи (с которой данные могут быть переданы с диска на диск)

Жёсткие диски имеют значительно лучшие характеристики, нежели гибкие. В накопителях на жёстком диске головки памяти не касаются диска. Скорость вращения составляет около 3-4 тыс. об. /мин. На гибких - 300 об. /мин. Соответственно, скорость передачи на жёстких дисках, обычно измеряемая в Гб/с, значительно больше (у гибких измеряется в Кб/с). Поскольку для работы дисков требуется механической движение, то и жёсткий, и гибкий диски уступают по скорости передачи информации электронные схемам.

КОМПАКТ-ДИСКИ

Это диски диаметром 12 см состоят из отражающего материала, покрытого прозрачным защитным слоем. Запись информации на них осуществляется посредством изменения структуры их отражающего слоя. Информация извлекается с диска при помощи лазерного луча, который контролирует наличие структуры отражающего слоя диска по мере его вращения. Информация на этих дисках хранится на единственной спиральной дорожке. Дорожка разделена на отрезки - сектора. Размер витков дорожки увеличивается к внешнему краю диска. Соответственно, на внешней стороне хранится больше. Поэтому, чтобы скорость сдачи была одинаковой, проигрыватели компакт-дисков изменяют скорость

вращения диска в зависимости от метаположения лазерного луча. Запоминающая система компакт-диска лучше подходит для хранения длинных непрерывных цепочке данных. Когда необходим доступ к

информации в случайном порядке, технология, используемая в магнитных дисках, подходит лучше.

 

Л Е К Ц И Я 5. Связь процессора с другими устройствами.

Взаимодействие между компьютером и устройством обычно происходит через промежуточное устройство - контроллер. В ПК контроллер представляет собой монтажную плату, которая вставляется в гнездо главной монтажной платы компьютера - материнской платы. Контроллер с помощью кабелей соединён с периферийными устройствами, находящимися внутри компьютера, или с соединительными разъёмами, к которым подключается внешнее устройство. Часто контроллер сам является небольшим компьютером, обладающим своей собственной запоминающей схемой и центральным процессором, который выполняет программу, управляющую действиями контроллера. Контроллер конвертирует сигналы и данные в обоих направлениях в форматы, совместимые с внутренними характеристиками компьютера и характеристиками периферийного устройства, которые он соединяет. Таким образом, каждый контроллер создаётся для определённого устройства. Когда контроллер вставляется в гнездо материнской платы, он подсоединяется к той же шине, которая соединяет центральный процессор и оперативную память, поэтому каждый контроллер может отслеживать сигналы, выдаваемые в шину центральным процессором и оперативной памятью, а также добавлять свои собственные сигналы.

{схема}

ЦП способен взаимодействовать с контроллерами, подключёнными к шине, так же, как он взаимодействует с оперативкой. Для того, чтобы послать цепочку битов контроллеру, её надо поместить в один из регистров общего назначения, после чего выполнить команду, подобную команде сохранения, чтобы сохранить код в контроллере. Чтобы получить цепочку битов от контроллера, исполняется команда, похожая на команду загрузки. В некоторых компьютерах предусмотрены дополнительные коды операций для этих действий. Команды с такими кодами называются командами ввода-вывода. Эти команды находят контроллер с помощью системы адресации, похожий на систему адресации оперативки. Каждому контроллеру соответствует уникальный набор адресов, которые используются в командах ввода-вывода для указания контроллера адресата. Набор адресов, соответствующих контроллеру, называется портом, т.к. они представляют собой место, через которое информация входит в компьютер и выходит из него. Поскольку адреса ввода-вывода могут иметь такой же вид, как адреса ячеек оперативки, шины компьютеров снабжены сигналом, который показывает, передаётся ли сообщение в оперативку или в контроллер. Альтернативой включению в машинный язык специальных кодов операций для команд ввода-вывода, является использование команд загрузки и сохранения, которая уже существует в языке для коммуникации с оперативной памятью. В этом случае контроллер отвечает только на определённый уникальный набор адресов, а оперативка игнорирует эти ячейки. Контроллер подключён к шине компьютера и может сам связаться с оперативкой в течение тех наносекунд, когда ЦП не использует шину. Этот досиуп контроллера к оперативной памяти называется DNA - прямой доступ к памяти - и является очень важным для работы компьютера. Например, для того, чтобы извлечь данные с определённого сектора диска, ЦП может послать запрос, закодированный как последовательность битов контроллеру, подключённому к диску, чтобы тот считал данные с сектора и поместил их в определённые ячейки памяти. После этого ЦП может выполнять другие задачи, т.к. контроллер выполнит операцию считывания и разместит их в оперативке с помощью прямого доступа. Но есть и отрицательная сторона прямого доступа: возрастает количество информации, которое обрабатывается шиной компьютера. Затруднение такое называется узким местом фон Неймана (как следствие архитектуры фон Неймана). Передача данных между составляющими компьютера редко происходит только в одном направлении. Компьютер порождает и посылает символы принтеру гораздо быстрее, чем принтер может их напечатать. Если компьютер буде вслепую посылать данные, то принтер может потерять часть информации. Поэтому такой процесс, как распечатывание документа, включает в себя персональный

 диалог, в котором компьютер и периферийное устройство обмениваются информацией в устройстве. Такой диалог называется слово состояние. Слово состояние - это цепочка битов, которое порождается периферийным устройством и поселяется контроллеры. Биты слово состояния отражают состояние работы устройства. Например, значение младшего бита состояния определяет, есть ли в принтере бумага, следующий бит - готов ли принтер принять дополнительные данные. Программа контроллера или программа, выполняемая процессором, может использовать её для того, чтобы приостановить отсылку данных принтеру до тех пор, пока не будет получена соответствующая информация о статусе устройства.

СТРОЕНИЕ ШИНЫ

Системная магистраль, или шина, - это совокупность проводов и разъёмов, обеспечивающих объединение всех устройств персонального компьютера в единую систему и их взаимодействие. Кроме этого, длина шины составляет около 6 дюймов для настольных компьютеров, она значительно превышает длину проводов внутри ЦП, длина которого измеряется в микронах. Следовательно, время, необходимое для того, чтобы сигнал прошел через шину, гораздо больше времени, которое требуется для передачи сигналов в пределах ЦП. В современных компьютерах применяются самые разные шины, которые различаются такими характеристиками, как: 1) Количество данных, передаваемых одновременно, 2) Скорость, с которой можно изменить сигнал в шине, 3) Физические свойства изменения шины и платы контроллера. Шина на материнской плате компьютера и в корпусе микропроцессора - это множество плоских проводов. К шинам подключены специальные буферные микросхемы. Условно принято делить системную шину на 3 шины

Шина данных - эт<