технические средства реализации информационных процессов

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ
ПРОЦЕССОВ
1. Состав и назначение основных элементов персонального компьютера
1.1. Архитектура классической ЭВМ
Основы построения электронных вычислительных машин в их современном
понимании были заложены в 30-е – 40-е годы прошлого века видными учеными:
английским математиком Аланом Тьюрингом и американцем венгерского происхождения
Джоном (Яношем) Нейманом.
Машина Тьюринга не стала реально действующим устройством, однако до
настоящего времени постоянно используется в качестве основной модели для выяснения
сущности таких понятий, как «вычислительный процесс», «алгоритм», а также для
выяснения связи между алгоритмом и вычислительными машинами.
В 1946 году Джоном Нейманом на летней сессии Пенсильванского университета
был распространен отчет, заложивший основы развития вычислительной техники на
несколько десятилетий вперед. Последующий опыт разработки ЭВМ показал
правильность основных выводов Неймана, которые в последующие годы развивались и
уточнялись. Основные рекомендации, предложенные Нейманом для разработчиков ЭВМ,
следующие:
1. Машины на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в
двоичной системе счисления.
2. Программа должна размещаться в одном из блоков машины – в запоминающем
устройстве (ЗУ), обладающем достаточной емкостью и соответствующими скоростями
выборки и записи команд программы.
3. Программа так же, как и числа, с которыми оперирует машина, представляется в
двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны. Это
обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:
 промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут
размещаться в том же ЗУ, что и программа;
 числовая форма записи программы позволяет машине производить
операции над величинами, которыми закодированы команды программы.
4. Арифметические устройства машины конструируются на основе схем,
выполняющих операцию сложения. Создание специальных устройств для вычисления
других операций нецелесообразно.
5. В машине используется параллельный принцип организации вычислительного
процесса (операции над словами производятся одновременно по всем разрядам).
Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью ее свойств,
существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и
функциональным возможностям машины, которые можно разделить на основные и
дополнительные.
Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение
информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции
повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные
режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные
функции ЭВМ реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных
средств.
Персональный компьютер – это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая
требованиям общедоступности и универсальности применения.
1
1.2. Принцип работы и структура персонального компьютера
Любая форма человеческой деятельности, любой процесс функционирования
технического объекта связаны с передачей и преобразованием информации. Информацией
называются сведения о тех или иных явлениях природы, событиях в общественной жизни
и процессах в технических устройствах. Информация, воплощенная и зафиксированная в
материальной форме, называется сообщением. Сообщения могут быть непрерывными
(аналоговыми) и дискретными (цифровыми). Непрерывное сообщение представляется
физической величиной (электрическим напряжением, током и т.д.), изменения которой во
времени отображают протекание рассматриваемого процесса.
Для дискретного сообщения характерно наличие фиксированного набора элементов,
из которых в определенные моменты времени формируются различные
последовательности. Компьютеры являются преобразователями информации, в них
исходные данные задачи преобразуются в результат ее решения, и они относятся к классу
дискретного действия – цифровому.
Главной особенностью компьютера является принцип программного управления, на
основе которого достигается автоматическое управление процессом решения задачи.
Другим важнейшим принципом является принцип хранимой в памяти программы,
согласно которому программа, закодированная в цифровом виде, хранится в памяти
наравне с числами. В команде указываются не сами участвующие в операциях числа, а
адреса ячеек оперативной памяти, в которых они находятся и адрес ячейки, куда
помещается результат операции.
Работу персонального компьютера (ПК) кратко можно охарактеризовать следующим
образом. При включении компьютера в процессе начальной загрузки компоненты ПК
тестируются специальной программой, «зашитой» в ПЗУ (BIOS). Заодно эта программа
тестирует («оживляет») периферийные устройства ПК. Затем в ОЗУ ПК загружается
комплекс программ (операционная система) и исходные данные для вычислений. Эта
загрузка может осуществляться с клавиатуры или с одного из дисковых накопителей.
Операционная система задает последовательность работы устройств ПК и порядок ввода
данных, алгоритмы их обработки и порты вывода результатов. Обычно данные берутся из
некоторых ячеек памяти ОЗУ, обрабатываются микропроцессором и затем пересылаются
им в другие ячейки памяти. При необходимости полученные результаты через
специальные порты направляются для печати на принтер.
ОСНОВНАЯ ПАМЯТЬ
Микропроцессор
ПЗУ
Внешняя память
Шина адреса
Шина данных
Шина управления
СИСТЕМНАЯ
ШИНА
УВВ1*
ОЗУ
УВВ2
…
УВВn
* УВВ – устройство ввода-вывода
Рис.1. Функциональная схема ПК
2
Математический
сопроцессор
Микропроцессор
Арифметикологическое
устройство
(АЛУ)
Микропроцес
сорная
память
(МПП)
Устройство
управления
(УУ)
Основная память
И
н
т
е
р
ф
е
й
с
н
а
я
Постоянное
запоминающее
устройство
(ПЗУ)
Оперативное
запоминающее
устройство
(ОЗУ)
Накопитель на
жестком
магнитном
диске (НЖМД)
Накопитель на
гибком
магнитном
диске (НГМД)
Таймер
Адаптер НЖМД
Адаптер НГМД
Системная шина
с
и
с
т
е
м
а
Видиоадаптер
Видиомонитор
(дисплей)
Генератор
тактовых
импульсов
Внешняя память
Адаптер
принтера
Блок питания
Печатающее
устройство
(принтер)
Сетевой адаптер
Канал
связи
Интерфейс клавиатуры
Клавиатура
Рис.2. Укрупненная структурная схема ПК
3
Структура компьютера – это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок
и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.
На рисунке 1 представлена упрощенная функциональная схема персонального
компьютера, на рисунке 2 – его укрупненная структурная схема.
Микропроцессор. Это центральный блок ПК,
предназначенный для управления работой всех блоков
машины и для выполнения арифметических и логических
операций
над
информацией
(рис.3).
В
состав
микропроцессора входят:
 устройство управления (УУ) – формирует и
подает во все блоки машины в нужные моменты времени
определенные
сигналы
управления
(управляющие
Рис.3. Процессор Intel
импульсы), обусловленные спецификой выполняемой
операции и результатами предыдущих операций; формирует
адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в
соответствующие блоки ЭВМ; опорную последовательность импульсов устройство
управления получает от генератора тактовых импульсов;
 арифметико-логическое устройство (АЛУ) – предназначено для выполнения
всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией. В
некоторых моделях ПК к АЛУ подключается дополнительный математический
сопроцессор, использующийся для ускоренного выполнения операций над двоичными
числами с плавающей запятой, над двоично-кодированными десятичными числами, для
вычисления некоторых тригонометрических функций с высокой точностью;
 микропроцессорная память – служит для кратковременного хранения, записи и
выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты
работы машины. Используется для обеспечения высокого быстродействия машины, ибо
основная память не всегда обеспечивает скорость записи, поиска и считывания
информации,
необходимую
для
эффективной
работы
быстродействующего
микропроцессора.
 интерфейсная система микропроцессора – реализует сопряжение и связь с
другими устройствами ПК.
Интерфейс (interface) – совокупность средств сопряжения и связи устройств
компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.
Основные характеристики микропроцессора:
 тактовая частота, показывающая, сколько инструкций (действий) способен
выполнить процессор в течение секунды;
 архитектура, в частности размер кэш-памяти.
Некоторые области применения процессора, кроме персонального компьютера
пользователя:
 контроллер светофора;
 интерактивные игрушки;
 автомобильная цифровая навигационная система;
 управление зажиганием и подачей топлива в автомобилях;
 принтеры;
 пульт звукорежиссера;
 локомотивы (микропроцессор контролирует электропитание двигателя);
 интерактивный сенсорный видеоэкран;
 контроль за расходованием электроэнергии;
 технологический
контроль
(микропроцессор
контролирует
условия
производственного процесса - температуру, давление или расход материалов);
 рыболовная электронная наживка;
4






электронный орган, гитара, синтезатор;
гелиевый детектор;
спортивные тренажеры;
электронная игра «Дартс»;
исследовательские приборы;
контроллер швартовочных муфт морских судов и т.д.
Генератор тактовых импульсов. Он генерирует последовательность электрических
импульсов; частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.
Промежуток времени между соседними импульсами определяет время одного такта
работы машины или просто такт работы машины. Частота генератора тактовых
импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во
многом определяет скорость его работы, так как каждая операция в машине выполняется
за определенное количество тактов.
Главная отличительная черта структуры персонального компьютера состоит в
наличии системной шины, посредством которой взаимодействуют и обмениваются
информацией все его устройства.
Шины ПК. Компьютер строится по магистрально-модульному принципу, при
котором все блоки компьютера связываются между собой системной шиной,
предназначенной для обмена данными, адресной и управляющей информацией между
составными частями компьютера. Системная шина определяет общий порядок обмена
между любыми блоками компьютера, а также максимальное количество используемых
устройств ввода-вывода. Она включает в себя шину адреса, шину данных и шину
управления. Шина адреса и шина данных необходимы для передачи с микропроцессора
адреса нужных ячеек, и затем считывания с них (или записи в них) соответствующих
данных. Для обеспечения взаимодействия между отдельными узлами компьютера имеется
шина управления, передающая управляющие сигналы, которыми обмениваются друг с
другом устройства ПК.
Кроме этого имеется шина питания, имеющая провода и схемы сопряжения для
подключения блоков ПК к системе энергопитания.
Шины ПК характеризуются двумя основными параметрами – разрядностью и
скоростью передачи по ним цифровых сигналов. Особенно важна разрядность шины
данных – она должна соответствовать разрядности микропроцессора.
Все внешние устройства, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие
унифицированные разъемы (стыки) подключаются к шине единообразно:
непосредственно или через контроллеры (адаптеры). Управление системной шиной
осуществляется микропроцессором либо непосредственно, либо через дополнительную
микросхему – контроллер шины, формирующий основные сигналы управления.
Основная память. Она предназначена для хранения и оперативного обмена
информацией с прочими блоками машины. Основная память включает два вида
запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное
запоминающее устройство (ОЗУ).
ПЗУ обычно выполнено в виде микросхемы, запаянной в материнскую плату, и не
подлежит замене. Информация, записанная в ПЗУ, не может быть изменена
пользователем, что хорошо отражено в английском варианте ее названия Read Only
Memory – память только для чтения. В этой памяти хранятся программы тестирования
основных узлов компьютера, инициирования загрузки операционной системы и
обслуживания операций по вводу и выводу данных. Эти программы как бы постоянно
«зашиты» в ПЗУ.
ОЗУ предназначено для хранения информации (программ и данных),
непосредственно участвующей в вычислительном процессе на текущем этапе
5
функционирования ПК. ОЗУ – энергозависимая память: при отключении напряжения
питания информация, хранящаяся в ней, теряется (подробнее см. раздел 3).
Внешняя память. Она используется для долговременного хранения любой
информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач. В частности, во
внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. К внешней памяти
относятся разнообразные виды запоминающих устройств (запоминающие устройства на
кассетной магнитной ленте (стримеры), накопители на оптических дисках (CD-ROM)), 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.
Блок питания. Это блок (рис.4), содержащий системы
автономного и сетевого энергопитания ПК. Блок питания
выполняет две критические функции: он обеспечивает все
компоненты системы стабилизированным напряжением и
охлаждает внутренности компьютера.
Таймер. Это внутримашинные электронные часы,
обеспечивающие при необходимости автоматический съем
текущего момента времени (год, месяц, часы, минуты, секунды и
Рис.4. Блок питания
доли секунд). Таймер подключается к автономному источнику
питания – аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.
Внешние (периферийные) устройства. Под периферийным понимают любое
устройство, конструктивно отделенное от центральной части ПК (микропроцессора и
основной памяти), имеющее собственное управление и выполняющее запросы
микропроцессора без его непосредственного вмешательства.
По назначению можно выделить следующие внешние устройства ПК:
 устройства ввода информации;
 устройства вывода и отображения информации;
 указательные устройства (манипуляторы, устройства управления);
 устройства связи и телекоммуникации.
К устройствам ввода информации относятся:
 клавиатура – устройство для ручного ввода в ПК текстовой, цифровой и
управляющей информации;
 сканер – устройство для автоматического считывания с бумажных или иных
носителей и вода в ПК текстов, графиков, рисунков, чертежей для их перевода в цифровой
(компьютерный) вид;
 графический планшет (дигитайзер) – устройство для ручного ввода графической
(реже текстовой) информации, изображений. Графический планшет – это два устройства –
сам планшет и перо. Со специального планшета, оборудованного чувствительной
поверхностью, которая реагирует на испускаемые пером сигналы, передаются точные
координаты «точки соприкосновения» в компьютер. Перо при контакте с планшетом
испускает специальные сигналы, говорящие ему о том, каким цветом нужно нарисовать в
компьютере тот или иной элемент, какой толщины должен быть штрих и т.д.
Используется компьютерными художниками, дизайнерами.
 сенсорные экраны – устройства для ввода отдельных
элементов изображения, программ или команд с полиэкрана
дисплея в ПК;
 цифровые фотоаппараты. По внешнему виду не
слишком отличаются от обычного фотоаппарата, да и
выпускаются теми же фирмами, что и обычные фотокамеры.
Разница состоит в том, что вместо пленки цифровой
6
фотоаппарат использует специальный элемент памяти, который сохраняет переданную с
объектива картинку в виде несжатого (TIFF) или сжатого с некоторой потерей качества
файла (JPEG-компрессия). Позднее получившийся файл передается в компьютер, а затем
его можно обработать в любом графическом редакторе и, если нужно, отпечатать, как
обычную фотографию, на специальном принтере. К этой же группе устройств ввода
информации можно отнести цифровые видеокамеры и мобильные телефоны;
 микрофоны – устройства, воспринимающие звук в аналоговом виде. Чтобы
компьютер мог записывать такие сигналы на магнитные диски и обрабатывать их,
сигналы должны быть преобразованы из аналоговой в цифровую форму. Это достигается
с помощью специального устройства - аналого-цифрового преобразователя (АЦП);
 MIDI–клавиатура (MIDI – Musical Instrument Digital Interface) – устройство,
подключающееся к звуковой карте. В отличие от синтезаторов, MIDI–клавиатура сама не
в состоянии издавать звуки: она лишена всякой «начинки» для звукотворения. Эта роль
отдана звуковой карте. Роль такой клавиатуры – отдавать встроенному синтезатору
команды: какую ноту какой длительности и на каком инструменте компьютеру следует
воспроизвести. Элементы MIDI–клавиатуры: собственно клавиатура – упрощенная копия
фортепиано; средства управления инструментами, которые позволяют переключить
клавиатуру в режим имитации любого из имеющихся в арсенале звуковой карты
инструментов.
К устройствам вывода и отображения информации относятся:
 монитор (дисплей) – устройство отображения текстовой и графической
информации без ее долговременной фиксации;
 принтер – устройство вывода из компьютера данных на бумагу в удобной для
чтения форме. Принтеры позволяют получить твердую копию документа. Наиболее
распространенные типы принтеров: матричные принтеры (устройства ударного действия
и термопринтеры), струйные принтеры с чернилами-красителями, лазерные принтеры,
использующие электрографический способ формирования изображения;
 графопостроители (плоттеры) – это устройства вывода графической информации
(графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель. Их используют при
автоматизированном проектировании;
 наушники, колонки – устройства для вывода звуковой информации.
К указательным устройствам относятся:
 мышь – устройство, предназначенное для работы в среде с графическим
интерфейсом пользователя;
 трекбол – устройство, выполняющее функции, аналогичные мыши, в отличие от
которой в движении находится не корпус, а только шарик;
 джойстик обеспечивает перемещение курсора на экране в одном из четырех
направлений. Используется для взаимодействия с игровыми программами;
Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и
другими средствами автоматизации и для подключения ПК к каналам связи, к другим
ЭВМ и вычислительным сетям. К ним относятся:
 модем (от слов модуляция-демодуляция) – устройство, предназначенное для
подключения компьютера к аналоговым линиям телефонной связи. Он позволяет через
обыкновенную телефонную линию работать в сети Internet. Модем выполняет следующие
функции: при передаче – преобразование цифрового кода в аналоговые сигналы, при
приеме – фильтрацию принятого сигнала от помех, т.е. обратное преобразование
аналогового сигнала в цифровой код;
 сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения
его к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе
вычислительной сети для обеспечения передачи информации из ЭВМ в
коммуникационную среду;
7
 мультиплексор передачи данных – многоканальное устройство сопряжения ЭВМ
с несколькими каналами связи.
1.3. Базовая конфигурация ПК
Конструктивно ПК выполнены в виде центрального
системного блока, к которому через разъемы подключаются
внешние устройства: дополнительные устройства памяти,
клавиатура, дисплей, принтер и др.
Системный блок обычно включает в себя системную плату,
блок питания, накопители на дисках, разъемы для дополнительных
устройств и платы расширения с контроллерами – адаптерами
внешних устройств.
На системной плате (чаще ее называют материнской платой
– Mother Board), как правило, размещаются:
 микропроцессор;
 математический сопроцессор;
 генератор тактовых импульсов;
 блоки (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ;
 адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД;
 таймер и др.
2. Центральный процессор
Микропроцессор (МП) (центральный процессор – Central Processing Unit (CPU)) –
функционально
законченное
программно-управляемое
устройство
обработки
информации, выполненное в виде одной или нескольких больших или сверхбольших
интегральных схем. Процессор – это «мозг» ПК. Он решает все общие вычислительные
задачи и согласовывает работу памяти, видеоадаптера, дисковых накопителей и других
компонентов системы. Процессор – это необычайно сложная микросхема,
подключающаяся на большинстве ПК непосредственно к материнской плате, но иногда
устанавливаемая и на дочерней плате, которая, в свою очередь, подключается к
материнской посредством специализированного слота.
МП выполняет следующие функции:
 чтение и дешифрацию команд из основной памяти;
 чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;
 прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних
устройств;
 обработку данных и их запись в основную память и регистры адаптеров
внешних устройств;
 выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков ПК.
Разрядность шины данных МП определяет разрядность ПК в целом; разрядность
шины адреса МП – его адресное пространство.
3. Запоминающие устройства ПК
3.1. Общие сведения о запоминающих устройствах
8
Памятью ЭВМ называется совокупность устройств, служащих для запоминания,
хранения и выдачи информации.
Отдельные устройства, входящие в эту совокупность, называются запоминающими
устройствами (ЗУ) того или иного типа.
Термин «запоминающее устройство» обычно используется, когда речь идет о
принципе построения некоторого устройства памяти (например, полупроводниковое ЗУ,
ЗУ на жестком диске и т.п.), а термин «память» - когда хотят подчеркнуть выполняемую
устройством памяти логическую функцию или место расположения в составе
оборудования ЭВМ (например, оперативная память – ОП, внешняя память и т.п.). В тех
случаях, когда эти отличия не имеют принципиального значения, термины «память» и
«запоминающие устройства» используют как синонимы.
Запоминающие устройства играют важную роль в общей структуре ЭВМ. По
некоторым оценкам производительность компьютера на разных классах задач на 40-50%
определяется характеристиками ЗУ различных типов, входящих в его состав.
К основным параметрам, характеризующим запоминающие устройства, относятся
емкость и быстродействие.
Емкость памяти – это максимальное количество данных, которое в ней может
храниться.
Емкость запоминающего устройства измеряется количеством адресуемых элементов
(ячеек) ЗУ и длиной ячейки в битах. В настоящее время практически все ЗУ в качестве
минимально адресуемого элемента используют 1 байт (1 байт=8 двоичных разрядов
(бит)). Потому емкость памяти обычно определяется в байтах, килобайтах (1Кбайт=210
байт), мегабайтах (1 Мбайт=220 байт), гигабайтах (1Гбайт=230байт) и т.д.
За одно обращение к ЗУ производится считывание или запись некоторой единицы
данных, называемой словом, различной для устройств разного типа. Это определяет
разную организацию памяти.
Быстродействие памяти определяется продолжительностью операции обращения,
то есть временем, затрачиваемым на поиск нужной информации в памяти и на ее
считывание, или временем на поиск места в памяти, предназначаемого для хранения
данной информации, и на ее запись:
tобр=max(tобр сч,tобр зп),
где tобр сч – быстродействие ЗУ при считывании информации; tобр зп – быстродействие
ЗУ при записи.
Запоминающие устройства можно классифицировать по целому ряду параметров и
признаков. Так, на рис.5 представлена классификация по типу обращения и организации
доступа к ячейкам ЗУ.
Запоминающие устройства
По типу
обращения
Запись и
чтение
Только
чтение
По организации
доступа
С произвольным
доступом
С прямым
доступом
С последовательным
доступом
Рис.5. Классификация запоминающих устройств по типу обращения
и организации доступа к ячейкам ЗУ
9
По типу обращения ЗУ делятся на устройства, допускающие как чтение, так и запись
информации, и постоянные запоминающие устройства (ПЗУ), предназначенные только
для чтения записанных в них данных (ROM – read only memory). ЗУ первого типа
используются в процессе работы процессора для хранения выполняемых программ,
исходных данных, промежуточных и окончательных результатов. В ПЗУ, как правило,
хранятся системные программы, необходимые для запуска компьютера в работу, а также
константы. В некоторых ЭВМ, предназначенных, например, для работы в системах
управления по одним и тем же неизменяемым алгоритмам, все программное обеспечение
может храниться в ПЗУ.
В ЗУ с произвольным доступом (RAM – random access memory) время доступа не
зависит от места расположения участка памяти (например, ОЗУ).
В ЗУ с прямым (циклическим) доступом благодаря непрерывному вращению
носителя информации (например, магнитный диск – МД) возможность обращения к
некоторому участку носителя циклически повторяется. Время доступа здесь зависит от
взаимного расположения этого участка и головок чтения/записи и во многом определяется
скоростью вращения носителя.
В ЗУ с последовательным доступом производится последовательный просмотр
участков носителя информации, пока нужный участок не займет некоторое нужное
положение напротив головок чтения/записи (например, магнитные ленты – МЛ).
Другая классификация ЗУ – по иерархическому принципу (рис.6). Иерархическая
структура памяти позволяет экономически эффективно сочетать хранение больших
объемов информации с быстрым доступом к информации в процессе ее обработки.
Vзу
Внешняя память
Оперативная
память
Внешняя
кэш-память
Внутренняя
кэш-память
Регистровая
память
tобр
Рис.6. Иерархическая организация памяти в современных ПК
На нижнем уровне иерархии находится регистровая память – набор регистров,
входящих непосредственно в состав микропроцессора. Регистровая память имеет
относительно небольшой объем. Регистровая память работает на частоте процессора,
поэтому время доступа к ней минимально. Например, при частоте работы процессора 2
ГГц время обращения к его регистрам составит всего 0,5 нс.
Оперативная память служит для хранения информации (программ, исходных
данных, промежуточных и конечных результатов обработки), непосредственно
используемой в ходе выполнения программы в процессоре. В настоящее время объем
оперативной памяти ПК достигает нескольких сотен мегабайт. Оперативная память
работает на частоте системной шины. При частоте работы системной шины 100 МГц
время обращения к оперативной памяти составит несколько десятков наносекунд.
10
В промежутке между регистровой и оперативной памятью по объему и времени
обращения имеется кэш-память, которая организована как более быстродействующая
статическая оперативная память со специальным механизмом записи и считывания
информации. Как правило, часть кэш-памяти располагается непосредственно на кристалле
микропроцессора (внутренний кэш), а часть - вне его (внешняя кэш-память).
Внешняя память организуется, как правило, на магнитных и оптических дисках,
магнитных лентах. Емкость дисковой памяти достигает сотен гигабайт при времени
обращения менее 1 мкс. Магнитные ленты вследствие своего малого быстродействия и
большой емкости используются в настоящее время в основном только как устройства
резервного копирования данных, обращение к которым происходит редко. Время
обращения для них может достигать нескольких десятков секунд.
3.2. Основная (системная) память
Основная память содержит оперативное (RAM – random access memory – память с
произвольным доступом) и постоянное (ROM – read only memory) запоминающие
устройства.
3.2.1. Оперативное запоминающее устройство
Оперативное запоминающее устройство предназначено для хранения информации
(программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе на
текущем этапе функционирования ПК. Она организована как одномерный массив ячеек
памяти размером 1 байт. Помимо программы и данных в ОЗУ практически всегда
присутствуют другие программы или их фрагменты, не имеющие прямого отношения к
работающей программе. Это так называемые «резидентные» части операционной
системы, программы-оболочки, драйверы внешних устройств (например, клавиатуры,
принтера) и т.д.
ОЗУ – энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация,
хранящаяся в ней, теряется. Основу ОЗУ составляют большие интегральные схемы,
содержащие матрицы полупроводниковых запоминающих элементов (триггеров).
Элементы оперативной памяти для ПК реализуются в виде модулей памяти. Модуль
памяти (рис. 7) конструктивно представляет собой узкую текстолитовую плиту с
печатным монтажом и «ножевыми» контактными разъемами, количество которых зависит
от вида модуля памяти.
Рис.7. Модуль памяти
Существуют различные виды модулей памяти, отличающиеся друг от друга
внешним видом и способом подключения. Перечислим основные виды в примерном
хронологическом порядке.
 Dual Inline Pin Package (DIP). Это прямоугольная микросхема с двумя рядами
ножек с каждой стороны, придающими ей сходство с насекомыми. Модули DIP широко
11
использовались в системах до 386-х. Позже использовался как кэш-память второго уровня
на большинстве 486-х и на некоторых материнских платах класса Pentium. Сейчас такая
память практически бесполезна.
 Single Inline Memory Module (SIMM) имеет 72 контакта. Объем памяти на одной
такой плате мог составлять 1 М байт, 4 Мбайт или 16 Мбайт.
 Dual Inline Memory Module (DIMM). Это двусторонние модули, имеющие
контакты по обе стороны печатной платы, количество которых, как правило, 168, но
может быть 100, 144, 184. Модули DIMM бывают трех типов: SDR-SDRAM, DDRSDRAM и EDO.
 Small Outline DIMM (SODIMM). Специальный модуль, используемый в
портативных компьютерах и некоторых графических адаптерах.
Модули памяти состоят из отдельных чипов, которые отличаются друг от друга
емкостью. Емкости чипов указываются в мегабитах (Мбит, Mb), а не в мегабайтах
(Мбайт, MB). Поскольку в каждом байте 8 бит, модуль памяти с восемью чипами
обладает объемом памяти в мегабайтах, равным объему памяти одного чипа в мегабитах.
Например, модуль с восемью чипами по 128 Мбит может хранить 128 Мбайт данных.
В современных модулях памяти используются чипы объемом 16, 64, 128, 256 и 512
Мбит. Например, модуль памяти 256 Мбайт может состоять из 8 чипов по 256 Мбит или
из 16 чипов оп 128 Мбит.
3.2.2. Постоянное запоминающее устройство
ПЗУ используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ
операционной системы, программ тестирования устройств компьютера и некоторых
драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS) и др. BIOS представляет собой первую
из программ, с которой начинает работать компьютер непосредственно после его
включения. Из ПЗУ можно только считывать информацию, запись информации в ПЗУ
выполняется вне ЭВМ в лабораторных условиях. ПЗУ – энергонезависимое запоминающее
устройство.
3.3. Кэш-память
Одним из революционных технических решений в компьютерном мире стало
изобретение кэш-памяти. Это быстрая (или даже сверхбыстрая) память хранит набор
наиболее важных команд микропроцессора или данных и обеспечивает упреждающий
вызов нужных команд и данных. Вначале она применялась в больших ЭВМ, а затем
появилась в персональных компьютерах и даже была включена в кристалл
микропроцессоров нового поколения, начиная с 486-х.
Кэш-память – это буферная, не доступная для пользователя быстродействующая
память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с
информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. В
нее загружаются коды команд микропроцессора или данные, которые часто используются
в работе микропроцессора.
Упреждение основано на том, что многие команды микропроцессора заранее
предполагают какие-то действия. Например, прежде чем выполнить арифметическую
операцию, нужно вывести данные из определенных регистров микропроцессора. На этом
и основано действие кэш-памяти. Если востребованная команда или данные находятся в
кэш-памяти, то говорят о попадании запроса. В этом случае команда или данные быстро
извлекаются из кэш-памяти (гораздо быстрее, чем из ОЗУ или накопителя). При этом
процессор не тратит времени на ожидание. Если происходит пропуск, то команда или
данное изымается из ОЗУ в обычном порядке, что замедляет работу микропроцессора и
приводит к тактам ожидания.
12
Система кэш-памяти имеет ряд уровней. В современных компьютерах обязательно
имеется хотя бы один уровень кэш-памяти, чаще всего их два, а иногда бывает и три.
Первый уровень L1 – сверхбыстрая кэш-память небольшого объема, встроенная в
кристалл самого микропроцессора. Кэш-память микропроцессора очень быстрая (время
доступа – несколько наносекунд), поэтому эффективность ее весьма высока, хотя объем
этой памяти невелик – от 4 до 32 Кбайтов у разных типов микропроцессоров. Для
ускорения операций кэширования у большинства микропроцессоров используются две
области кэш-памяти – отдельно для данных и для команд. Количество и тип кэш-памяти
L1 зависят от процессора, который установлен в ПК, и нельзя изменить ее параметры, не
поменяв процессор.
Второй уровень кэширования L2 – внешняя кэш-память. На материнскую плату
устанавливаются микросхемы быстрой статической кэш-памяти с временем доступа 10-20
нс (для сравнения – динамическое ОЗУ имеет время доступа 50-100 нс). Хотя они не столь
быстры, как элементы кэш-памяти микропроцессора, у них есть важное преимущество –
существенно больший объем памяти, достигающий 256-512 Кбайт у наиболее мощных ПК
и меньше – у менее мощных. В такой кэш помещаются целые программы или их крупные
фрагменты. Объем КЭШа, установленного на материнской плате, можно увеличить,
добавив новые микросхемы, тогда как интегрированный кэш (в системах Celeron, Pentium
II/III/4, Athlon/Duron) модернизации не подлежит.
Третий уровень кэширования – кэш-память некоторых периферийных устройств.
Чаще всего она применяется в контроллерах жесткого диска, поскольку такие диски
обмениваются с ПК большими объемами информации. Такое кэширование носит частный
характер. Например, контроллеры дисков с кэшированием резко сокращают время поиска
информации на диске, но никоим образом не влияют на скорость обмена информацией
между микропроцессором и ОЗУ.
Кэш-память программно недоступна. Для обращения к ней используют аппаратные
средства процессора и компьютера.
Отмечено, что наличие кэш-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает
производительность ПК примерно на 20%.
Включают или отключат кэш-память в разделе настройки параметров чипсета
(Chipset Setup) программы CMOS Setup.
3.4. Внешняя память
Рис. Винчестер: внешний вид (слева) и со снятой крышкой (справа)
13
Рис. Флэш-память
Рис. Материнская плата
14