Основы устройства персонального компьютера (стр. 3 из 5)

В современных компьютерах различают два вида памяти:

Внутренняя память – электронная (полупроводниковая) память, которая размещается на системной плате или на платах расширения.

Внешняя память – память, реализованная в виде устройств с различными принципами хранения информации и обычно с подвижными носителями. В настоящее время сюда входят устройства магнитной (дисковой ленточной) памяти, оптической и магнитооптической памяти. Устройства внешней памяти могут размещаться как в системном блоке компьютера, так и в отдельных корпусах.

Основным назначением внутренней памяти является совместное хранение данных и программ их обработки в процессе преобразования этих данных. Внешняя же память предназначена для длительного хранения информации, когда те или иные данные или программы не используются или же компьютер выключен.

Внутренняя память. Внутренняя память имеет в своем составе несколько устройств. Основным является оперативное запоминающее устройство (ОЗУ). Соответствующий по смыслу английский термин, который часто встречается в технической литературе, - RAM (Random Access Memory), т.е. память с произвольным (случайным) доступом. Такой доступ подразумевает возможность получить данные из памяти по любым адресам в любом порядке.

· ОЗУ имеет непосредственную связь с процессором. В нем хранятся программные команды и данные, участвующие в данное время в вычислениях. В него записываются результаты вычислений перед пересылкой их во внешнюю память устройства вывода. Основными особенностями ОЗУ являются:

· возможность считывать и записывать информацию из произвольного места памяти;

· высокая скорость работы, близкая к быстродействию микропроцессора;

· необходимость специальных мер по сохранению информации из ОЗУ после завершения работы (энергозависимость).

Другим важным устройством внутренней памяти компьютера является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Техническое (английское) название этого устройства памяти – ROM (Read Only Memory), т.е. память только для чтения. Информация в это устройство записывается производителем, сохраняется неизменной и постоянно доступна компьютеру, в том числе сразу в момент включения. ПЗУ играет очень важную роль, потому что в нем записана программа начальной загрузки компьютера. Кроме того, в этой же самой микросхеме обычно хранятся минимальные программы работы с клавиатурой и другими устройствами, поэтому её часто называют BIOS – Basic Input Output System/

В современных компьютерах быстродействие процессора ОЗУ может существенно отличаться. Поэтому, для повышения производительности системы в качестве буфера между АЛУ и ОЗУ используется сверхоперативное ЗУ (СЗУ) или кэш-память. Название «кэш» происходит от английского слова «cache», которое обозначает тайник. СЗУ невидимо для пользователя и данные, хранящиеся в нём, недоступны для прикладного программного обеспечения.

Основная идея работы кэш-памяти заключается в том, что извлеченные из ОЗУ данные или команды программы копируются в СЗУ; одновременно в специальный каталог адресов, который находится в той же самой памяти, запоминается, откуда информация была извлечена. Если данные потребуются повторно, то уже не надо будет терять время на обращение к ОЗУ их можно получить из кэш-памяти значительно быстрее.

В настоящее время кэш-память обычно реализуется по двухуровневой системе. При этом первичный кэш (level 1- уровень 1) встроен непосредственно внутрь процессора, а вторичный (level 2) устанавливается на системной плате. Как и для ОЗУ, увеличение объёма КЭШа повышает эффективность работы компьютера.

Внешняя память. Основное назначение внешней памяти компьютера заключается в длительном хранении информации (как программ, так и данных). Наличие внешней памяти обеспечивает возможность неоднократного использования информации в течение длительного времени. Информация во внешней памяти хранится в двоичном представлении, что позволяет отрабатывать её без каких бы то ни было дополнительных преобразований. Поскольку скорость записи и считывание информации в устройствах внешней памяти намного ниже быстродействия центральных устройств, поскольку для их подключения к магистрали необходим контроллер. Как правило, в составе компьютера имеются несколько устройств внешней памяти. Для персонального компьютера это главным образом гибкие и жесткие магнитные диски, а также оптические диски.

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД). В повседневной жизни гибкие магнитные диски называют дискетами. Их устройство приведено на Рисунок 4.

Рисунок 4 Устройство дискеты

Специальное устройство, называемое дисководом, позволяет записывать на дискету и считывать с неё информацию. Дискета вставляется в специальное устройство, называемое накопителем на гибких дисках (НГМД, FDD –floppy disk drive), Диск вращается в пластиковом футляре, содержащим специальную прокладку для уменьшения трения. На тонкую пластиковую основу диска нанесён ферромагнитный порошок. Две магнитные головки (одна сверху, другая снизу), могут быть подведены к одной из 80 концентрических окружностей, на которые условно разбита поверхность диска. С их помощью можно либо считать информацию, либо записать её. Причем в качестве носителей информации и выступают микроскопические частички порошка, которые могут быть либо намагничены (соответствуют сигналу 1), либо не намагничены (соответствуют сигналу 0).

На стандартную дискету обычно можно поместить до 1,44 Мбайт информации, хотя и появились устройства, позволяющие записать на неё несколько десятков мегабайт информации.

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД). Принцип действия накопителя на жестких магнитных дисках не отличается от принципа действия накопителя на гибких магнитных дисках. Жесткий магнитный диск со снятым кожухом и накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД, HDD – hard disk drive) изображены на Рисунок 5. На жестких магнитных дисках ферромагнитный порошок нанесенный на алюминиевую или на стеклянную основу 1. На одном вращающемся шпинделе 2 крепится целый пакет дисков (до трех), к каждой стороне которых подходит магнитная головка 3. Таким образом, при фиксированном положении позиционера 4 все головки описывают в несколько концентрических окружностей, составляющих один цилиндр. Позиционер представляет собой шаговой электродвигатель, имеющий несколько сот (или даже тысяч) фиксированных положений. Количество этих положений и определяет количество цилиндр на НЖМД.

Рисунок 5 Устройство НМЖД

Накопители на оптических дисках (CD-ROM). Дисководы оптических дисков считывают информацию в 10–15 раз быстрее, чем гибкие, но все же медленнее, чем жесткие. Устройство накопителя на компакт-дисках (CD-ROM – Compact Disk – Read Only Memory) изображено на Рисунок 6. В направляющем лотке компакт-диск 2 подается внутрь устройства и крепится на вращающемся шпинделе 1 (закрыт прижимной крышкой). При вращении диск освещается лазерной головкой 3, луч которой либо отражается от поверхности (соответствует 1), либо рассеивается (соответствуют 0). Лазерная головка перемещается вдоль поверхности диска с помощью позиционера. Отраженный луч вырабатывается сигнал, передающийся в конечном итоге через оперативную память в центральный процессор для обработки.

Поверхность компакт-диска представляет собой одну спиральную дорожку, на которой располагаются микроскопические впадины, рассеивающие попадающий на них лазерный луч. Набор нулей и единиц на диске располагается по правилам, которые называются форматом. Музыкальные компакт- диски – это один из форматов. Устройства характеризуются скоростью, с которой считывается информация с диска. Одинарная скорость соответствует скорости вращения музыкального диска и составляет 150 Кбит в секунду.

Рисунок 6 Устройство CD-ROM

Иерархия памяти. Все виды компьютерной памяти связаны между собой, образуя иерархическую структуру, представленную на схеме (Рисунок 7).

Рисунок 7 Схема организации памяти компьютера

Схема показывает, что чем ближе то или иное устройство памяти к процессору, тем меньше её объем, но зато больше скорость её работы. Иерархия памяти специально спроектирована так, что информация, необходимая для решения задачи, распределяется по уровням памяти в соответствии с потребностью в ней, например, файлы, в которых хранятся требуемые для решения задачи данные, считываются в ОЗУ, а наиболее часто используемые данные из них попадают в кэш-память.

Особого рассмотрения заслуживает взаимодействие ОЗУ и внешней памяти. Дело в том, что объем ОЗУ ограничен, а размер исполняемых файлов современных прикладных программ достигает нескольких десятков мегабайт. Следует учесть, что одновременно могут выполняться несколько приложений, которые должны быть загружены в ОЗУ. К этому добавляется объем обрабатываемых данных, который также постоянно растет. Кроме того, для обеспечения работы компьютера в оперативной памяти должны находиться и файлы операционной системы.

Решением данного противоречия является использование виртуальной памяти. Современные операционные системы работают в предположении, что компьютер обладает настолько большим объемом внутренней памяти, что реально установленная ОЗУ составляет лишь часть её. Вся оставшаяся часть внутренней памяти, необходимой для решения задач, располагается в специальном системном файле на жестком диске. Эта область жесткого диска называется файлом подкачки. Теперь, если объем ОЗУ по какой-то причине оказывается недостаточным, система копирует менее востребованную в данный момент область оперативной памяти в этот файл, освобождая тем самым необходимый объем ОЗУ. Когда, наоборот, потребуются данные с диска, то они будут возвращены в оперативную память на место, подготовленное там тем же самым способом.