Реферат: Архитектура ЭВМ

Архитектурывычислительных систем сосредоточенной обработки информации

Современный компьютерсостоит из нескольких функциональных узлов: процессор, память, контроллерыустройств и т.д. Каждый узел представляет собой сложное электронное устройство,в состав которого могут входить миллионы логических элементов, Для лучшегопонимания принципа работы каждого узла и компьютера в целом вводится понятиеуровней представления компьютера.

Цифровой логическийуровень – уровеньлогических схем базовой системы элементов.

Микроархитектурныйуровень – уровеньорганизации обработки информации внутри функционального узла. Сюда относятсярегистры различного назначения, устройство обработки поступающих команд,устройство преобразования данных, устройство управления.

Командный уровень – набор функциональныхузлов и связи между ними, система команд и данных, передаваемых междуустройствами.

Набор блоков, связеймежду ними, типов данных и операций каждого уровня называется архитектуройуровня.

Архитектура командногоуровня называется обычно компьютерной архитектурой или компьютернойорганизацией.

Архитектуры с фиксированным наборомустройств

Компьютерами ссосредоточенной обработкой называются такие вычислительные системы, у которых одно илинесколько обрабатывающих устройств (процессоров) расположены компактно ииспользуют для обмена информацией внутренние шины передачи данных. Компьютеры 1-гои 2-го поколения имелиархитектуру закрытого типа с ограниченным наборомвнешнего оборудования. Компьютер, выполненный по этой архитектуре, не имелвозможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренныхразработчиком.

Укрупненная схема такойкомпьютерной архитектуры приведена на рис. 1. Оперативная память храниткоманды и данные исполняемых программ. АЛУ обеспечивает не только числовуюобработку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации, осуществляя еезанесение в оперативную память. Канал ввода / вывода представляет собойспециализированное устройство, работающее по командам, подаваемым устройствомуправления. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств.Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляетвсеми узлами системы.

/>

Рис. 1. Архитектура компьютеразакрытого типа

Компьютеры такойархитектуры эффективны при решении чисто вычислительных задач. Они плохоприспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключениядополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информацией.


Вычислительные системы с открытойархитектурой

В начале 70-х гг. фирмой DEC (Digital Equipment Corporation) был предложен компьютерсовершенно иной архитектуры. Эта архитектура позволяла свободно подключатьлюбые периферийные устройства, что сразу же заинтересовало разработчиков системуправления различными техническими системами, так как обеспечивало свободноеподключение к компьютеру любого числа датчиков и исполнительных механизмов.Главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от ихназначения, к общей шине передачи информации. Подключение устройств к шинеосуществлялось в соответствии со стандартом шины. Стандарт шины являлсясвободно распространяемым документом, что позволяло фирмам – производителямпериферийного оборудования разрабатывать контроллер для подключения своихустройств к шинам различных стандартов. Архитектура компьютера открытого типа,основанная на использовании обшей шины, приведена на рис. 2.

/>

Рис. 2. Архитектура компьютераоткрытого типа

Общее управление всейсистемой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяявремя другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранитисполняемые программы и данные и согласовано уровнями своих сигналов с уровнямисигналов самой шины. Внешние устройства, уровни сигналов которых отличаются отуровней сигналов шины, подключаются к ней через специальное устройство – контроллер.Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляетуправление устройством по командам, поступающим от центрального процессора.Контроллер подключается к шине специальными устройствами – портамиввода-вывода. Каждый порт имеет свой номер, и обращение к нему процессорапроисходит, также как и к ячейке памяти, по этому номеру. Процессор имеетспециальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается липроцессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнегоустройства.

Несмотря на преимущества,предоставляемые архитектурой с общей шиной, она имеет и серьезный недостаток,который проявлялся все больше при повышении производительности внешнихустройств и возрастании потоков обмена информацией между ними. К общей шинеподключены устройства с разными объемами и скоростью обмена, в связи с чем«медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышениепроизводительности компьютера было найдено во введении дополнительной локальнойшины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура компьютера собщей и локальной шинами приведена на рис. 3.

/>

Рис. 3. Архитектура компьютера с общейи локальной шиной

Контроллер шиныанализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передает их контроллеру,подключенному к общей или локальной шине.

Конструктивно контроллеркаждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором изапоминающим устройством или, если устройство не является стандартно входящим всостав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы наобщей плате – слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволилоразмещать несколько функциональных узлов компьютера и контроллеры стандартныхустройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общейплате и дало возможность ввести две дополнительные локальные шины дляподключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеютнаибольший объем обмена с центральным процессором и между собой. Хотяархитектура компьютера осталась прежней, структура современного персональногокомпьютера имеет вид, представленный на рис. 2.12,

/>

Рис. 4. Структура персональногокомпьютера

Центральный контроллер играет роль коммутатора,распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройствомотображения и остальными узлами компьютера. Кроме этого в состав микросхемыцентрального контроллера включены устройства, которые поддерживают работукомпьютера. К ним относятся системный таймер; устройство прямого доступа кпамяти, которое обеспечивает обмен данными между внешними устройствами ипамятью и периоды, когда это не требуется процессору; устройство обработкипрерываний, которое обеспечивает быструю реакцию процессора на запросы внешнихустройств, имеющих данные для передачи.

Функциональный контроллер– это СБИС,которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств,таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этогоконтроллера входит такое устройство, как аудиокарта, позволяющая получить навнешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных иречевых файлов.

Для подключенияспецифических устройств часть обшей шины, соединяющая центральный ифункциональный контроллеры, имеет слоты расширения для установки плат контроллеров.

 Архитектурымногопроцессорных вычислительных систем

Персональные компьютерыпозволяют реализовать многие компьютерные технологии, начиная от работы вИнтернете, и кончая построением анимационных трехмерных сцен. Однако существуютзадачи, объем вычислений которых превышает возможности персональною компьютера.Для их решений применяются компьютеры с гораздо более высоким быстродействием.Для получения высокого быстродействия на существующей элементной базе используютсяархитектуры, в которых процесс обработки распараллеливается и выполняетсяодновременно на нескольких обрабатывающих устройствах Существует три основныхподхода к построению архитектур таких компьютеров: многопроцессорные,магистральные и матричные архитектуры.

Архитектура простых многопроцессорныхсистем выполняется по схеме с обшей шиной. Два или более процессоров и один илинесколько модулей памяти размешены на общей шине. Каждый процессор, для обменас памятью, проверяет, свободна ли шина, и, если она свободна, он занимает ее.Если шина занята, процессор ждет, пока она освободится. При увеличении числапроцессоров производительность системы будет ограничена пропускной способностьюшины. Чтобы решить эту проблему, каждый процессор снабжается собственной локальнойпамятью (рис. 2.13), куда помешаются тексты исполняемых программ илокальные переменные, обрабатываемые данным процессором. Общее запоминающееустройство используется для хранения общих переменных и общего системногопрограммного обеспечения. При такой организации нагрузка на общую шипузначительно снижается.

/>

Рис. 5. Архитектура многопроцессорнойвычислительной системы с общей шиной

Один из процессороввыделяется для управления всей системой.Он распределяет задания наисполнение программ между процессорами и управляет работой общей шины.

Периферийный процессоросуществляет обслуживание внешних устройств при вводе и выводе информации изобшей памяти. Он может быть того же типа, что и остальные процессоры, но обычноустанавливается специализированный процессор, предназначенный для выполненииопераций управления внешними устройствами.

Магистральный принцип является самымраспространенным при построении высокопроизводительных вычислительных систем.Процессор такой системы имеет несколько функциональных обрабатывающихустройств, выполняющих арифметические и логические операции, и быструюрегистровую память для хранения обрабатываемых данных. Данные, считанные изпамяти, размещаются в регистрах и из них загружаются в обрабатывающиеустройства. Результаты вычислений помешаются в регистры и используются какисходные данные для дальнейших вычислений. Таким образом, получается конвейерпреобразования данных: регистры – обрабатывающие устройства – регистры – ….Архитектура магистрального суперкомпьютера приведена на рис. 6. Числофункциональных устройств равно шести («Сложение», «Умножение» и т.д.), однако вреальных системах их количество может быть иным. Устройство планированияпоследовательности выполнения команд распределяет данные, хранящиеся врегистрах, на функциональные устройства и производит запись результатов снова врегистры. Конечные результаты вычислений записываются в общее запоминающееустройство.

/>

Рис. 6.Архитектурамагистрального суперкомпьютера


В матричной вычислительной системе процессорыобъединяются в матрицу процессорных цементов. В качестве процессорных элементовмогут использоваться универсальные процессоры, имеющие собственное устройствоуправления, или вычислители, содержащие только АЛУ и выполняющие командывнешнего устройства управления. Каждый процессорный элемент снабжен локальнойпамятью, хранящей обрабатываемые процессором данные, но при необходимостипроцессорный элемент может производить обмен со своими соседями или с общимзапоминающим устройством. В первом случае, программы и данные нескольких задачили независимых частей одной задачи загружаются в локальную память процессорови выполняются параллельно. Во втором варианте все процессорные элементыодновременно выполняют одну и ту же команду, поступающую от устройстваобработки команд на все процессорные элементы, но над разными данными,хранящимися в локальной памяти каждого процессорного элемента. Вариантархитектуры с общим управлением показан на рис. 7. Обмен данными спериферийными устройствами выполняется через периферийный процессор,подключенный к общему запоминающему устройству.


/>

Рис. 7. Архитектура матричнойвычислительной системы с общим управлением

Классификациякомпьютеров по сферам применения

Наиболее часто при выборекомпьютера для той или иной сферы применения используется такая характеристика,как производительность, под которой понимается время, затрачиваемое компьютеромдля решения той или иной задачи. Понятие «производительность» определяет инекоторые другие характеристики компьютера, такие, например, как объемоперативной памяти. Вполне естественно, что компьютер с высокой скоростьюобработки должен снабжаться большим объемом оперативной памяти, так как иначеего производительность будет ограничена необходимостью подкачки информации изболее медленной внешней памяти. Можно считать, что производительность являетсянекоторой интегрированной характеристикой, определяющей общую вычислительнуюмощность компьютера, и, соответственно, области его применения.

По производительностикомпьютеры можно условно разбить на три класса: суперкомпьютеры; мэйнфреймы;микрокомпьютеры.

Суперкомпьютеры – компьютеры спроизводительностью свыше 100 млн операций в секунду. Применяются для решениятаких задач, как моделирование физических процессов, гидрометеорология,космические исследования и других задач, которые требуют огромных объемоввычислений. Выполняются обычно по многопроцессорной архитектуре, имеют большойнабор внешних устройств, и, как правило, выпускаются небольшими партиями дляконкретной задачи или конкретного заказчика. Обычно важность решаемой задачитакова, что основным параметром суперкомпьютера является его высокаяпроизводительность, а такие параметры, как стоимость, размеры или вес, неявляются определяющими.

Мэйнфреймы – компьютеры спроизводительностью от 10 до 100 млн операций и секунду. Они используются длярешения таких задач, как хранение, поиск и обработка больших массивов данных,построение трехмерной анимационной графики, создание рекламных роликов,выполняют роль узлов глобальной сети, используемой торговыми или компьютерными фирмамис большим потоком запросов. Выполняются по многопроцессорной архитектуре собшей шиной и небольшим числом мощных процессоров. Конструктивно выполняются ивиде одной стойки или» настольном варианте. Стоимость мэйнфреймом колеблется оттридцати до трехсот тысяч долларов.

Микрокомпьютеры – компактные компьютерыуниверсального назначения, в том числе и для бытовых целей, имеющиепроизводительность до 10 млн. операций в секунду.

Микрокомпьютеры илиперсональные компьютеры, можно классифицировать по конструктивным особенностям:стационарные (настольные) и переносные. Переносные компьютеры, и спою очередь,можно разделить на портативные (laptop), блокноты (notebook) и карманные (Palmtop). Портативные компьютеры поразмеру близки к обычному портфелю, они, в настоящее время, уступают местоболее компактным. Блокноты по размеру близки к книге крупного формата и имеютмассуоколо 3 кг. Карманные компьютеры в настоящее время являются самымималенькими персональными компьютерами. Они не имеют внешней памяти на магнитныхдисках, она заменена на энергонезависимую электронную память. Карманныйкомпьютер можно использовать как словарь-переводчик, оганайзер или записнуюкнигу.

 Функциональная организацияперсонального компьютераЦентральный процессор

Центральный процессор (ЦП) –функционально-законченное программно-управляемое устройство обработкиинформации, выполненное на одной или нескольких СБИС. В современныхперсональных компьютерах разных фирм применяются процессоры двух основныхархитектур:

—       тина»система команд переменной длины – Complex Instruction Set Computer (CISC);

—       сокращенныйнабор команд фиксированной длины – Reduced Instruction Set Computer (RISC).

Весь ряд процессоровфирмы Intel, устанавливаемых в персональные компьютеры IBM, имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих ПК имеютархитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои преимущества и недостатки. Так CISC-процессоры имеютобширный набор команд (до 400), из которых программист может выбрать команду,наиболее подходящую ему в данном случае. Недостатком этой архитектуры являетсято, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство управлениипроцессором, увеличивает время исполнения команды на микропрограммном уровне.Команды имеют различную длину и время исполнении.

RISC-архитектура имеетограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работыпроцессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессора. Кнедостаткам RISC-архитектуры можно отнести то, что если требуемой команды в наборенет, программист вынужден реализовать ее с помощью нескольких команд изимеющегося набора, увеличивая размер программного кода.

Упрощенная схемапроцессора, отражающая основные особенности архитектуры микроуровня, приведенана рис. 8. Наиболее сложным функциональным устройством процессора являетсяустройство управления выполнением команд. Оно содержит:

¾       буферкоманд, которыйхранит одну или несколько очередных команд программы; читает следующие командыиз запоминающего устройства, пока выполняется очередная команда, уменьшай времяее выборки из памяти;

¾       дешифраторкоманд расшифровываеткод операции очередной команды и преобразует его в адрес начала микропрограммы,которая реализует исполнение команды;

¾       управлениевыборкой очередной микрокоманды представляет собой небольшой процессор,работающий по принципу фон Неймана, имеет свой счетчик микрокоманд, которыйавтоматически выбирает очередную микрокоманду из ПЗУ микрокоманд;

¾       постоянноезапоминающее устройство (ПЗУ) микрокоманд – это запоминающее устройство, в котороеинформация записывается однократно и затем может только считываться;отличительной особенностью ПЗУ является то, что записанная в него информациясохраняется сколь угодно долго и не требует постоянного питающего напряжения.


/>

Рис. 8. Архитектура CISC процессора

Поступивший отдешифратора команд адрес записывается в счетчик микрокоманд устройства выборки,и начинается процесс обработки последовательности микрокоманд. Каждый разрядмикрокоманды связан с одним управляющим входом какого-либо функциональногоустройства. Так, например, управляющие входы регистра хранения «Сброс»,«Запись», «Чтение» соединены с соответствующими разрядами микрокоманды. Общеечисло разрядов микрокоманды может составлять от нескольких сотен до несколькихтысяч и равно общему числу управляющих входов всех функциональных устройствпроцессора. Часть разрядов микрокоманды подается на устройство управлениявыборкой очередной микрокоманды и используется для организации условныхпереходов и циклов, так как алгоритмы обработки команд могут быть достаточносложными.

Выборка очередноймикрокоманды осуществляется через определенный интервал времени, который, всвою очередь, зависит от времени выполнения предыдущей микрокоманды. Частота, скоторой осуществляется выборка микрокоманд, называется тактовой частотой процессора.Тактовая частота является важной характеристикой процессора, так как определяетскорость выполнения процессором команд, и, в конечном итоге, быстродействиепроцессора.

Арифметико-логическоеустройство (АЛУ)предназначено для выполнения арифметических и логических операцийпреобразования информации. Функционально АЛУ состоит из нескольких специальныхрегистров, полноразрядного сумматора и схем местного управления.

Регистры общегоназначения (РОН)используются для временного хранения операндов исполняемой команды ирезультатов вычислений, а также хранят адреса ячеек памяти или портовввода-вывода для команд, обращающихся к памяти и внешним устройствам.Необходимо отметить, что если операнды команды хранятся в РОН, то времявыполнения команды значительно сокращается. Одна из причин, почему программистыиногда обращаются к программированию на языке машинных команд, это наиболееполное использование РОН для получения максимального быстродействия привыполнении программ, критичных по времени.

Рассмотрим краткохарактеристики процессоров, используемых в современных ПК типа IBM PC. Процессоры для этих ПКвыпускают многие фирмы, но законодателем моды здесь является фирма Intel. Ее последнейразработкой является процессор Pentium 4, выпуск которых начат в конце 2001 г. Косновным особенностям архитектуры Pentium 4 можно отнести следующие:

¾       всистему команд добавлены новые команды, ориентированные на работу с видео- иаудиопотоками;

¾       имеетсяспециальный внутренний кэш, размером 256 Кбайт, который работает на тактовойчастоте процессора, и имеет собственную шину связи с процессором,обеспечивающую скорость обмена 48 Гбайт/С;

¾       внутренняямикроархитектура процессора базируется на двух параллельно работающихконвейерах команд (суперскалярная архитектура), которые исполняют сразунесколько команд в разных фазах обработки (чтение, дешифрация, загрузкаоперандов, исполнение), конвейеры заканчиваются двумя АЛУ, работающими наудвоенной частоте процессора для коротких арифметических и логических команд, иАЛУ для выполнения медленных команд:

¾       процессорработает на частотах 1500–3000 МГц и содержит около 42 млн транзисторов.

Фирма Intel поставляет упрощенныеварианты процессоров Pentium 4 под названием Celeron, который в два разадешевле базового варианта процессора. Однако следует отметить, что последниемодели процессора Celeron ни в чем не уступают «старшему брату» и даже в некоторых случаяхпревосходят его.

Фирма AMD (Advanced Micro Devices) выпускает процессоры,совместимые по системе команд с Intel Pentium 4 – Athlon (K7). Этот процессорвыполнен по суперскалярной архитектуре с тремя конвейерами команд, работающимипараллельно и способными обрабатывать до девяти инструкций за один цикл работыпроцессора. Тестирование процессора К7 и его сравнение с Pentium 4 показывает, что К7 неуступает ему и даже превосходит его в некоторых случаях. Стоимость процессора Athlon на 20–30% дешевлепроцессора Intel. Процессор К7 требует для своей работы собственной общей шины,стандарт которой отличается от стандарта шины PCI, которая являетсяосновной для процессора Pentium 4. Поэтому замена одного типа процессора другимтребует и замены системной платы, на которой расположен набор микросхемосновных функциональных устройств ПК.

Оперативное запоминающее устройство

Другим важнымфункциональным узлом компьютера является запоминающее устройство, или память. Память,в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативнымзапоминающим устройством (ОЗУ), или RAM (Random Access Memory) – памятью со свободнымдоступом. ОЗУ позволяет записывать и считывать информацию из ячейки, обращаяськ ней по ее номеру или адресу. Ячейка памяти имеет стандартное число двоичныхразрядов. В настоящее время стандартный размер ячейки ОЗУ равняется одномубайту. Информация в ОЗУ сохраняется все время, пока на схемы памяти подаетсяпитание, т.е. она является энергозависимой.

Существует два вида ОЗУ,отличающиеся техническими характеристиками: динамическое ОЗУ, или DRAM (Dynamic RAM), и статическое ОЗУ, илиSRAM (Static RAM). Разряд динамическогоОЗУ построен на одном транзисторе и конденсаторе, наличие или отсутствие зарядана котором определяет значение, записанное в данном бите. При записи или чтенииинформации из такой ячейки требуется время. оля накопления (стекания) заряда наконденсаторе. Поэтому быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем устатического ОЗУ, разряд которого представляет собой триггер на четырех илишести транзисторах. Однако из-за большего числа элементов на один разряд в однуСБИС статического ОЗУ помещается гораздо меньше элементов, чем у динамическогоОЗУ. Например, современные СБИС динамических ОЗУ способны хранить 256–1024 Мбайтинформации, а схемы статических ОЗУ только 256–512 Кбайт. Кроме этогостатические ОЗУ более энергоемки и значительно дороже. Обычно, в качествеоперативной или видеопамяти используется динамическое ОЗУ. Статическое ОЗУиспользуется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти. Вкэш-память из динамической памяти заносятся команды и данные, которые процессорбудет выполнять в данный момент.

Скорость работы ОЗУ ниже,чем быстродействие процессора, поэтому применяются различные методы для повышенияее производительности. Одним из способов увеличения быстродействиядинамического ОЗУ является размещение в одном корпусе микросхемы СБИСнескольких модулей памяти с чередованием адресов. Байт с нулевым адресомнаходится в первом модуле, байт с первым адресом во втором модуле, байт совторым адресом и первом модуле и т.д. Поскольку обращение к памяти состоит изнескольких этапов: установка адреса, выбор ячейки, чтение, восстановление, тоэти этапы можно совместить во времени для разных модулей. Другим способомувеличения быстродействия является чтение из памяти содержимого ячейки сзаданным адресом и нескольких ячеек, расположенных рядом. Они сохраняются вспециальных регистрах – защелках. Если следующий адрес указывает на одну из ужесчитанных ячеек, то ее содержимое читается из защелки.

Несмотря на разработкуновых типов схем динамических ОЗУ, снижающую время обращения к ним, это времявсе еще остается значительным и сдерживает дальнейшее увеличениепроизводительности процессора. Для уменьшения влияния времени обращенияпроцессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительноустанавливается сверхбыстродействующая буферная память, выполненная намикросхемах статической памяти. Эта память называется кэш-памятью (от англ. cache – запас). Время обращенияк данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем у ОЗУ, и сравнимо со скоростьюработы самого процессора.

Запись в кэш-памятьосуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемыепроцессором, одновременно копируются и в кэш-память. Если процессор повторнообратится к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая жеоперация происходит и при записи процессором данных в память. Они записываютсяв кэш-память, а затем в интервалы, когда шина свободна, переписываются в ОЗУ.Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутрипроцессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы ихразличать, кэш-память делится на уровни. На кристалле самого процессоранаходится кэш-память первого уровня, она имеет объем порядка 16–128 Кбайт исамую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельномкристалле находится кэш-память второго уровня, которая имеет объем порядка 256Кбайт – 2 Мбайта. И, наконец, кэш-память третьего уровня расположена насистемной плате, ее объем может составлять 16–1000 Мбайт.

Управление записью исчитыванием данных в кэш-память выполняется автоматически. Когда кэш-памятьполностью заполняется, то для записи последующих данных устройство управлениякэш-памяти по специальному алгоритму автоматически удаляет те данные, которыереже всего использовались процессором на текущий момент. Использованиепроцессором кэш-памяти увеличивает производительность процессора, особенно втех случаях, когда происходит по-следовательное преобразование относительнонебольшого числа данных, которые постоянно во время преобразования хранятся вкэш-памяти.

В одном адресномпространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная дляпостоянного хранения таких программ, как тестирование и начальная загрузкакомпьютера, управление внешними устройствами. Она является энергонезависимой, т.е.сохраняет записанную информацию при отсутствии напряжения питания. Такая памятьназывается постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory). Постоянныезапоминающие устройства можно разделить по способу записи в них информации наследующие категории:

¾       ПЗУ,программируемые однократно. Программируются при изготовлении и не позволяютизменять записанную в них информацию.

¾       ПерепрограммируемыеПЗУ (ППЗУ). Позволяютперепрограммировать их многократно. Стирание хранящейся в ППЗУ информацииосуществляется или засветкой полупроводникового кристалла ультрафиолетовымизлучением, или электрическим сигналом повышенной мощности, для этого в корпусемикросхемы предусматривается специальное окно, закрытое кварцевым стеклом.

Внутренние шины передачи информации

Общая шина, наряду с центральнымпроцессором и запоминающим устройством, во многом определяет производительностьработы компьютера, так как обеспечивает обмен информацией между функциональнымиузлами. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемойинформации: шина адреса, шина данных, шина управления. Каждая шинахарактеризуется шириной – числом параллельных проводников для передачиинформации. Другим важным параметром шины является тактовая частота шины – эточастота на которой работает контроллер шины при формировании цикла передачиданных.

Несмотря на то, чтопроизводители компьютеров постоянно предлагают новые варианты протоколов работыобщих шин, которые обеспечивают более высокую производительность операцийобмена информацией, ее пропускная способность оказывается недостаточной дляобеспечения данными таких высокопроизводительных функциональных узлов, какцентральный процессор, и некоторых внешних устройств, таких, например, каквысокопроизводительные видеоподсистемы. Поэтому используют локальные шины.

Ниже прицеленыобозначения и основные характеристики общих и локальных шин, применяемых в ПКкомпании IBM.

Общая шипа РСI (Peripheral Componentinterconnect) применяется в настольных компьютерах, в настоящее времяиспользуется модификация PCI 2.1. Тактовая частота контроллера этой шины66,100,133 МГц, ширина шины адреса – 32, а шины данных – 64 разряда. Пиковаяпропускная способность шины PCI 2.1 528 Мбайт/c.

Общая шина PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association) применяется впереносных компьютерах класса ноутбук и имеет параметры, сравнимые спараметрами шины РСI.

Локальная шина для подключениявидеоконтроллера AGP (Accelerated Graphics Port) позволяет организовать непосредственную связьвидеоконтроллера и оперативного запоминающего устройства. Она ориентирована намассовую передачу видеоданных. Имеет конвейерную организацию выполнения операцийчтения / записи, что позволяет избежать задержек при обращении к модулямпамяти. За один такт работы может передать два, четыре или восемь блоковданных, в зависимости от установленного режима работы. При установке режимапараллельной передачи восьми блоков обеспечивает пиковую скорость передачи 2112Мбайт/c.

Накопители на магнитный дисках

Магнитные диски в качестве запоминающейсреды используют магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющимификсировать два состояния. Информация на магнитные диски записывается исчитывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированнымшагом, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси. Головка считывает илизаписывает информацию, расположенную на концентрической окружности, котораяназывается дорожкой или треком. Количество дорожек на диске определяется шагомперемещения головки и зависит от технических характеристик привода диска икачества самого диска. За один оборот диска может быть считана информация содной дорожки. Общее время доступа к информации на диске складывается извремени перемещения головки на нужную дорожку и времени одного оборота диска.Каждая дорожка дополнительно разбивается на ряд участков – секторов. Секторсодержит минимальный блок информации, который может быть записан или считан сдиска. Чтение и запись на диск осуществляется блоками, поэтому дисководыназывают блочными устройствами.

Физическая структурадиска определяетсяколичеством дорожек и числом секторов на каждой дорожке. Она задается приформатировании диска, которое выполняется специальными программами и должнобыть проведено перед первым использованием диска для записи информации.

Кроме физическойструктуры диска, говорят еще о логической структуре диска. Логическая структураопределяется файловой системой, которая реализована на диске и зависит отоперационной системы компьютера, на котором используется данный диск.Логическая структура подразумевает выделение некоторого количества секторов длявыполнения служебных функций размещения файлов и каталогов на диске.

Дисководы магнитныхдисков делятсяна дисководы для сменных носителей (дискет) и дисководы жестких дисков (винчестеры),которые устанавливаются в системном блоке компьютера. Сменные магнитные дискиизготавливаются на основе гибкого синтетического материала, на который с обеихсторон нанесен слой магнитного материала. Такие гибкие диски имеют объемхранимой информации 1,44–2,88 Мбайт. Все сменные носители на дисках, в томчисле и оптические диски, характеризуются своим диаметром, или форм-фактором.Наибольшее распространение получили гибкие магнитные диски с форм-фактором 3,5дюйма. Но существуют диски с форм-фактором 5,25 дюйма и 1,8 дюйма.

Основа жесткого диска изготавливаетсяиз сплавов алюминия или керамики, на который наносится магнитный слой.Жесткость диска позволяет увеличить плотность записи, по сравнению с гибкимдиском. Несколько жестких дисков надеваются на одну общую ось и представляютсобой пакет дисков. Такие пакеты позволяют резко увеличить объем информации,хранящейся на одном дисководе жесткого диска. В настоящее время используютсядисководы с объемом 120–160 Гбайт, и это значение постоянно увеличивается.

Накопители на оптическим дисках

Оптический компакт-диск (Compact Disk (CD)), который был предложен в1982 г. фирмами Philips и Sony первоначально для записи звуковой информации,произвел переворот и в компьютерной технике, так как идеально подходил длязаписи цифровой информации больших объемов на сменном носителе. Объеминформации, записанной на компакт-диске, составляет 600–700 Мбайт. Кдостоинствам компакт-диска можно отнести и его относительную дешевизну вмассовом производстве, высокую надежность и долговечность, нечувствительность кзагрязнению и воздействию магнитных полей.

Запись на компакт-дискпри промышленном производстве производится в несколько этапов. Сначала сиспользованием мощного инфракрасного лазера в стеклянном контрольном дискевыжигаются отверстия диаметром 0,8 микрон. По контрольному дискуизготавливается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожег отверстия. Вшаблон вводится жидкая смола (поликарбонат), и получают диск с таким же наборомвпадин, что и отверстий в Контрольном диске. Со стороны впадин на дискнапыляется тонкий слой алюминия, который затем покрывается лаком, защищающимего от царапин.

При воспроизведениилазерный диод небольшой мощности освещает диск со стороны, противоположнойнанесенному слою алюминия, который является отражателем светового луча лазера,а впадины превращаются в выступы. Впадины на диске имеют глубину, равную четвертидлины волны лазера, из-за чего фотодиод, принимающий отраженный свет лазера,получает света от выступа меньше, чем от площадки.

Впадины и площадкизаписываются на диск по спирали. Запись начинается от центра диска и занимаетприблизительно 32 мм диска. Спираль проходит 22 188 оборотов вокруг диска,ее общая длина составляет 5600 М. На всем протяжении спирали скоростьзаписи остается постоянной, поэтому специальное устройство при воспроизведенииследит за постоянством линейной скорости, изменяя значение угловой скоростивращения диска. Так, на внутренней стороне скорость равна 530 оборотов вминуту, а на внешней стороне скорость падает до 200 оборотов в минуту, при этомлинейная скорость остается постоянной, равной 1,2 м/с.

В середине 90-х гг.появились устройства, устанавливаемые непосредственно на компьютере ипозволяющие производить однократную запись информации на компакт-диск. Длятаких устройств выпускают специальные компакт-диски, которые получили название CD-Recodable (CD-R). Отражающим слоем у нихслужит тонкий слой позолоты. Между слоем позолоты и слоем поликарбамидной смолывводится слой красителя. На диске без записи этот слой красителя бесцветен, нопод воздействием лазерного луча краситель темнеет, образуя пятна, которые привоспроизведении воспринимаются как выступы.

Позднее появилиськомпакт-диски с возможностью перезаписи – CD-Rewritable (CD-RW). На этих дисках слойкрасителя может находиться в двух состояниях: кристаллическом и аморфном. Этидва состояния имеют разную отражательную способность. Лазер устройства имееттри уровня мощности. При записи мощность лазерного диода повышается ирасплавляет слой красителя, переводя его в аморфное состояние с низкойотражательной способностью, что соответствует выступу (запись информации). Присредней мощности краситель плавится и переходит в кристаллическое состояние свысокой отражательной способностью (стирание информации). Низкая мощностьлазера используется для считывания информации.

Дальнейшее развитиетехнологий производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокойплотностью записи – цифровой универсальный диск Digital Versatile Disk (DVD). Впадины на них имеютменьший диаметр (0,4 микрона), а спираль размещается с плотностью 0,74 микронамежду дорожками (вместо 1,6 микрон у CD). Это позволило увеличить объем информации надиске до 4,7 Гбайт. Дальнейшее увеличение объема информации обеспечиваетсяприменением двусторонних DVD.


Флэш-память

К недостаткам дисковойпамяти можно отнести наличие механических движущихся компонентов, имеющих малуюнадежность, и большую потребляемую мощность при записи и считывании. Появлениебольшого числа цифровых устройств, таких как МР3-плееры, цифровые фото- ивидеокамеры, карманные компьютеры, потребовало разработки миниатюрных устройстввнешней памяти, которые обладали бы малой энергоемкостью, небольшими размерами,значительной емкостью и обеспечивали бы совместимость с персональнымикомпьютерами. Первые промышленные образцы такой памяти появились в 1994 г.

Новый тип памяти получилназвание флэш-память (Flash-memory). Флэш-память представляет собой микросхемуперепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) снеограниченным числом циклов перезаписи. В ППЗУ флэш-памяти использован новыйпринцип записи и считывания, отличный от того, который используется в известныхсхемах ППЗУ. Кристалл схемы флэш-памяти состоит из трех слоев. Средний слой,имеющий толщину порядка 1,5 нм, изготовлен из ферроэлектрического материала.Две крайние пластины представляют собой матрицу проводников для подачи напряженияна средний слой. При подаче напряжения, на пересечении проводников, возникаетнапряжение, достаточное для изменения направления магнитного момента атомов егокристаллической решетки, расположенной под местом пересечения проводников.Направление магнитного поля сохраняется и после снятия внешнего электрическогополя. Изменение направления магнитного поля ферроэлектрика изменяетсопротивления этого участка слоя. При считывании, на один крайний слой подаетсянапряжение а на втором слое замеряется напряжение, прошедшее черезферроэлектрик, которое будет иметь разное значение для участков с разнымнаправлением магнитного момента. Такой тип флэш-памяти получил название FRAM (ферроэлектрическаяпамять с произвольным доступом).

Конструктивно флэш-памятьвыполняется в виде отдельного блока, содержащего микросхему флэш-памяти иконтроллер, для подключения к одному из стандартных входов компьютера. Размерыэтого блока 40х16х7 мм. Флэш-память, используемая в других цифровыхустройствах, имеет иные размеры и конструктивное оформление. В настоящее времяобъем флэш-памяти достигает нескольких Гбайт, скорость записи и считываниясоставляют десятки Мбайт/с.

еще рефераты
Еще работы по информатике, программированию