Внутренние устройства компьютеров. Процессоры и память
Первое, представленное на рисунке устройство компьютера, называется микропроцессор. Первый микропроцессор создан в 1971 году и предназначалась для микрокалькуляторов.
МикроПроцессор или центральный процессор (ЦП) – мозг ПК (англ. «CPU» – CentralProcessorUnit, что означает блок центрального процессора). Процессор выбирает команды из памяти ПК, расшифровывает и исполняет их. По этим командам он выполняет арифметические и логические операции, получает данные из устройств ввода информации и посылает результаты на устройства вывода. Процессор вырабатывает специальные сигналы синхронизации и управления, контролирует работу шины и всех периферийных устройств. Конструктивно процессор представляет специальную микросхему, называемую «чип» (Chipset) или «БИС» (Большая интегральная схема).
Кроме центрального процессора применяются и другие специализированные процессоры, например, арифметический, называемый сопроцессором (второе устройство на схеме). Сопроцессор (англ. «NPU» – Numeric Processor Unit или «FPU» – Floating-Point Unit) – альтернативный математический процессор. Он выполняет математические вычисления с плавающей запятой (точкой) в несколько раз быстрее собственно процессора. Ранее представлял отдельную «БИС». В современном исполнении он размещается в одном корпусе с центральным процессором. С успехом используется и для ускорения вывода на экран дисплея графических статических и динамических изображений. В компьютерах используются и специальные дополнительные процессоры, устанавливаемые на соответствующих картах (платах), например, графического адаптера.
Главным показателем параметром, характеризующим процессор, как и сам компьютер, является производительность – скорость обработки данных, т.е. число миллионов выполняемых команд в секунду (MIPS). Следовательно, одна из важных характеристик компьютера – тактовая частота, выражаемая в мегагерцах. В современных ПК она достигает нескольких Гигагерц (ГГц).
Следующий параметр ПК (на схеме №3 и 4) – цифровая память, характеризуемая ёмкостью, измеряемой в байтах.
Разобраться с этим вопросом можно, зная способ представления информации в ЭВМ. Рассмотрим эту проблему. Для осуществления обработки информации в ЭВМ, вносимые в неё данные (буквы, цифры, специальные знаки) кодируются, так как компьютер понимает информацию только в специальных машинных кодах.
В обиходе пользуются десятичной системой счисления, применяющей набор цифр от «0» до «9». Любое число в данной системе состоит из единиц, десятков, сотен, тысяч и т.д. Например, число 153 можно представить как 1 сотню, 5 десятков и 3 единицы, или 1*102 + 5*10 + 3*100. Следовательно, основанием данной системы счисления является число 10.
Для представления информации в вычислительной технике используется двоичная система счисления, основанием которой является цифра 2. Эта система состоит из двух цифр «0» и «1», что весьма удобно для любых электронных устройств. Ноль и единица восприниматься системой как наличие или отсутствие сигнала, как логически ложное или верное утверждение и так далее, а затем легко преобразовываться в электрические сигналы для их дальнейшей обработки.
Любое число, представленное в двоичной форме, состоит из суммы чисел, имеющих значения 2 в степени «n2. Так, 20 =1, 21 =2, 22 =4, 23 =8, 24 =16, 25 =32, 26 =64, 27 =128, 28 =256 и т.д.
В качестве примера представим число 153 десятичной системы счисления в виде двоичного числа: 1*27+1*24+1*23+1*20. Если произвести соответствующие вычисления, то получим 128+16+8+1 = 153.
В вычислительной технике принято считать минимальной единицей информации бит (англ. «binary digit» – двоичная цифра), т.е. цифры «1» или «0» или команды «Включено» – наличие сигнала и «Выключено» – отсутствие сигнала. Общепринятой единицей информации является байт.
1 байт = 8 битам, т.е. он представляет последовательность из восьми единиц и нулей. Байт соответствует одному символу, знаку или цифре.
Для кодировки двоичных символов в США была разработана специальная таблица (AmericanStandardCodeforInformationInterchange, ASCII), которой пользуются во всём мире. Каждому символу, цифре или знаку в ней присваивается десятичный код от 0 до 255 (28).
Первые 32 символа и символ с кодом 127 являются служебными. Символы с кодами от 32 до 127 определены как стандартные для всех IBM-совместимых компьютеров, включают латинский алфавит и утверждены ISO (международная организация по стандартизации в различных областях жизнедеятельности человека). Символы от 128 до 255 используются для реализации национальных алфавитов – расширенная часть кодовой таблицы. Например, некоторые буквы русского алфавита имеют следующую десятичную кодировку: заглавная «А» соответствует коду 128, строчная «а» – 160, строчная «м» – 172 и заглавная «М» – 140. В двоичной информации десятичный код 140 можно представить, как следующую последовательность бит 10001100 = 128+8+4 = 140.
Электронная (машинная) память компьютера делится на внутреннюю и внешнюю. «Внутренняя память» состоит из оперативной, постоянной памяти и Кеш-памяти.
Её производительность (скорость, частота) равна производительности центрального процессора. При этом обеспечивается согласование во времени работы этих двух основных устройств компьютера и достигается высокая производительность компьютера.
Оперативная память (третье устройство на схеме) или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) – специальная внутренняя память, позволяющая быстро записывать в неё и считывать из неё необходимую информацию – массив кристаллических ячеек, способных хранить данные.
Информация в этой памяти хранится лишь до любого (кратковременного или долговременного) отключения электропитания компьютера, поэтому её называют энергозависимой, временной памятью или по-английски «RAM» (RandomAccessMemory – память произвольного доступа). Обычно в компьютерах используется «DRAM» – динамическая память, состоящая из ячеек в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках.
Во время работы компьютера информация в оперативной памяти постоянно обновляется. В ней находятся все выполняемые в данный конкретный момент времени программы. Они – элементы текстов, данных, программы и т.д., располагаются в специальных ячейках памяти.
В настоящее время достаточно широко используется кэш-память (CacheMemory). Она
бывает внутренняя (встроенная, например, в процессор) и внешняя. Внешняя
кэш-память – сверхоперативная (сверхбыстрая) память, расположенная как буфер
между процессором и ОЗУ, в накопителях на жёстких магнитных дисках и т.д. для
хранения промежуточных результатов. Она способствует повышению производительности
работы компьютера. Она служит для уменьшения количества тактов ожидания
процессора при обращения к более медленной «RAM».
В IBM-совместимых ПК оперативная память распределяется следующим образом:
640 Кб – основная память ПК (ConventionalBaseMemory – стандартная базовая память)
384 Кб – верхняяпамятьдо 1 Мб (UMA – Upper Memory Area),
зарезервированная область для системных нужд. В ней:
128 Кб этой памяти отведено под видеопамять
(обычно используется не полностью).
128 Кб – резерв для адаптеров с собственной «ROM BIOS».
128 Кб – «System BIOS», «ROM» на системной плате.
Выше 1 Мб – Расширенная память (Extended Memory)
Не занятые области UMA драйверов, с помощью драйвер DOS – EMM386, могут использоваться как блоки верхней памяти UMB (Upper Memory Block) для размещения в них резидентных программ.
Расширенная память, в свою очередь, состоит из:
● программной спецификации (EMS – Expanded Memory Specification), использующей 4 страницы верхней памяти по 16 Кб;
● программной спецификации (XMS – eXtended Memory Specification), использующей защищённый режим с помощью драйвера DOS – HIMEM.SYS;
● высокойпамяти (HMA – High Memory Area).
Четвертым из представленных на схеме устройств является энергонезависимое постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) или, по-английски, «ROM» («Read-Only-Memory»). ПЗУ предназначено для хранения системных программ, управляющих работой внешних устройств компьютера, служебных программ диагностики, контроля и др. Оно используется для «BIOS» (BasicInput/OutputSystem– базовая система ввода-вывода), отвечающей за процедуру самопроверки компьютера, т.е. запускает находящийся в ней тест «POST» (Power-On Self-Test); за выполнение программы самозагрузки компьютера (boot-strapping); а также содержит низкоуровневые интерфейсы и язык программирования BASIC. Эта микросхема устанавливается на материнской плате и хранит в себе основные (базовые) настройки компьютера.
Процессор и внутренние запоминающие устройства являются главными модулями любого вычислительного устройства. Их достаточно для того, чтобы компьютер начал работать. Но для обеспечения диалога с человеком этого мало, так как невозможно передавать соответствующие задания и сообщать пользователю результаты их решения и др.
Все остальные устройства компьютера обычно называются внешними. Связь их с вышеназванными основными модулями осуществляется с помощью специального внутреннего устройства или модуля, который называется «шина».
Шина или магистраль (пятое устройство на схеме) обеспечивает взаимодействие процессора и внутренних запоминающих устройств со всеми внешними устройствами через платы расширения (карты), устанавливаемые в специальные разъемы (слоты).
Термин «слот» означает один из разъёмов расширения, расположенных на материнской плате компьютера и предназначенных для подключения к ним различных контроллеров и адаптеров (видеомониторов, сетей, накопителей и др.).
По шине осуществляется копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. Системную шину (bus) называют также каналом объединения микропроцессора, оперативной памяти компьютера и периферийных (внешних) устройств. Основной характеристикой шины является скорость (частота) обмена данными, соизмеримая с частотой процессора.
Все рассмотренные выше устройства и некоторые другие расположены непосредственно на главной, системной плате, которая называется «System board» или «Mother board» – системная (материнская) плата.
Для подключения различных внешних устройств в слоты вставляются контролеры или адаптеры (шестое устройство на схеме). Подключаемые внешние устройства обеспечивают не только собственно работу компьютера (контролеры дисплея, накопителей на магнитных носителях и др.), но предоставляют пользователям различные дополнительные возможности, например, сетевой адаптер, карты мультимедиа («Multimedia») и др.
Устройства ввода/вывода и долговременного хранения информации
Внешние устройства хранения информации называют внешней памятью. Они представляют несъёмные и съёмные (переносные) устройства долговременного или временного хранения информации. Более подробно о них речь идёт в теме 5. Здесь рассматриваются лишь основные сведения, касающиеся данной темы.
Внешняя память подобно библиотеке является хранилищем любой полезной информации, объём которой значительно превышает объём внутренней памяти компьютера. К устройствам и носителям внешней памяти относят: диски, дискеты и другие запоминающие устройства прямого доступа на магнитных, оптических, магнитооптических и иных носителях.
Внешняя долговременная память – место длительного хранения данных, не используемых в конкретный момент времени пользователем и оперативной памятью компьютера.
Хранение информации осуществляется на различных её носителях. Если информация с носителя может только считываться, то такой носитель или устройство его содержащее можно назвать устройством вывода и хранения информации. Если носитель позволяет записывать, считывать, модернизировать, уничтожать и хранить информацию, то такой носитель и (или) устройство с таким носителем называют устройством ввода/вывода и хранения информации.
Основными представителями устройств внешней памяти являются накопители на гибких и жёстких магнитных дисках. Кроме того, существуют запоминающие устройства в виде оптических лазерных дисков (только для чтения – CD-ROM, для записи – CD-R, для перезаписи – CD-RW), различные модификации DVD, магнитооптические носители информации: гибкие (Floptical drivers) и жесткие (MOD – Magneto-Optical Drivers), магнитные ленты (стримеры) и микросхемы (флеш-карты). Их параметры, материалы носителей и особенности, в том числе хранения, рассмотрены в теме 5.
Первыми, с точки зрения появления, являются гибкие магнитные диски или дискеты (англ. «Floppydiskettes»). Они используются с 1980 года. Современные дискеты имеют размер 3,5” (89 мм) и являются переносными носителями, позволяющими осуществлять процедуры ввода/вывода и хранения информации. Устройство для работы с ними называется накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД) или флоппи драйвер (англ. «floppydriver»). Это внешнее устройство устанавливается внутрь системного блока. Ныне гибкие носители не отвечают требованиям современных пользователей и всё менее используются ими. Тому свидетельство их высокая стоимость (примерно 15 рублей), ненадёжность хранения записанных на них данных и небольшой объём максимально хранимой информации (1, 44 Мб).
Система записи на дискеты несколько похожа на систему
записи на пластинки, в отличие от которых запись осуществляется не по спирали,
а на концентрические окружности – дорожки (англ. – «траки» /traks/), расположенные на двух сторонах
дискеты и образующие как бы цилиндры. Окружности, в свою очередь, делятся на
сектора (Рис. 6-3). Каждый сектор, не зависимо от размеров
дорожки, имеет одинаковый размер, равный 512 байт, что достигается различной
плотностью записи: меньшей на периферии и большей ближе к центру дискеты.
Ёмкость дискеты определяется достаточно просто. Необходимо умножить количество окружностей (дорожек) на количество секторов. Например, умножив 80 дорожек на 18 секторов и на две стороны дискеты получим 80*18*(512б*2) = 1474560 байт или 1, 47 Мб – ёмкость современной дискеты.
Приобретенная дискета отформатирована заводским методом для работы с IBM-совместимыми компьютерами, то есть размечена таким образом, чтобы сразу можно было производить на неё запись, и считывание записанной машиночитаемой информации. В случае необходимости её можно отформатировать (инициализировать). Для выполнения операции форматирование дискет можно воспользоваться специальной программой «Format». В ОС Windows эта процедура осуществляется следующим образом. В папке «Мой компьютер» надо выбрать пиктограмму «Диск 3,5” (А)» и, став на неё курсором мыши, нажать её правую клавишу. При этом откроется выпадающее меню пиктограммы «Диск 3,5” (А)», в котором есть пункт «Форматировать». Его надо активизировать и выполнить процедуры, предлагаемые в открывшемся окне «Формат Диск 3,5 (А)» (Рис. 6-4).
Дискеты всё более заменяются компакт-дисками, объём
которых достигает 700 Мб, а стоимость соизмерима со стоимостью гибких дискет.
Следующим устройств внешней памяти является жёсткий магнитный диск.
Жёсткий диск (англ. «Harddisks»)
представляет набор расположенных друг над другом, как полки этажерки, и жёстко
скреплённых между собой дискет (дисков). К каждой такой дискете подходит своя головка
чтения/записи. Вместе эти головки жёстко укреплены на одной оси (Рис. 6-5.).
Набор этих дисков устанавливается в специальный герметизированный корпус, и всё
вместе называется накопителем на жестком магнитном диске (НЖМД) или HDD (Harddiskdrives).
Это несъёмное внешнее устройство устанавливают внутрь системного блока. НЖМД является устройством ввода/вывода и хранения информации. Его не рекомендуют переносить так же, как дискеты («NonremovableDisks»). Несмотря на свое название, жёсткий диск весьма хрупкое устройство, чувствительное к перегрузкам, ударам и толчкам.
Когда дисковод работает, между каждой головкой и поверхностью диска образуется аэродинамическая подушка. Головка парит над магнитной поверхностью на высоте в несколько тысячных долей миллиметра. Работой НЖМД управляет специальное аппаратно-логическое устройство — контроллер жёсткого диска. Такое техническое решение позволяет значительно увеличивать плотность записи и долговременно (несколько лет) хранить на дисках большое количество информации (миллионы дискет).
Основными параметрами HDD являются ёмкость и производительность и быстродействие. Ёмкость современных устройств достигает нескольких сотен Гб.
Производительность определяется внутренней скоростью передачи данных и измеряется в Мбайт/с (от нескольких до десятков и сотни Мбайт/с). Она в большей степени зависит от характеристик интерфейсов, связывающих НЖМД с материнской платой. Подключение НЖМД в компьютере осуществляется к разъёмам, расположенным на материнской плате, специальными интерфейсными кабелями (шлейфами).
Быстродействие – время доступа к данным. Обычно обращают внимание на среднее время доступа – интервал времени, необходимый для поиска нужных данных. Оно зависит от скорости вращения диска. Для дисков с частотой вращения 5400 об/мин среднее время доступа составляет 9–10 мкс, для дисков с частотой 7200 об/мин – 7–8 мкс. Более высокоуровневые устройства обеспечивают среднее время доступа к данным 5–6 мкс.
Магнитооптические диски (МО-диски) используют как внешние высоконадёжные устройства переноса и хранения информации. Устройство для работы с МО-дисками, как и устройства работы с гибкими магнитными дисками, устанавливается внутрь системного блока. Они, как и НЖМД, являются устройствами ввода/вывода, актуализации, удаления и хранения информации. Максимальная ёмкость – для дисков диаметром 3.5" – 1,3 Гб, а диаметром 5.25" – 9,1 Гб. Скорость вращения диска – 2000 об/мин.
Запись данных на магнитный слой осуществляется лазерным лучом. При этом используется двухпроходной процесс записи. Магнитные изменения в диске могут происходить только при одновременном воздействии двух условий: магнитного поля и определённой температуры, создаваемой лазером, при этом вероятность потери информации очень мала.
К оптическим устройствам внешней памяти относятся лазерные компактные диски.
Назад к разделу "Классификация технических средств информатизации"
Вперед к разделу "Лазерные компакт-диски (англ. «Compact Disk», CD)"