Как перевести число из двоичной (восьмеричной

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г. СЕМЕЙ
Документ СМК 3 уровня
УМКД
УМКД 042-39. 1.ХХ/032013
УМКД
Редакция №____от_____
Учебно-методические
материалы по дисциплине
«Архитектура компьютерных
систем»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИИ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ
«Архитектура компьютерных систем»
для специальности 5В060200 – «Информатика »
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Семей
2014
СОДЕРЖАНИЕ
1
2
3
4
5
Глоссарий
Лекции
Практические и лабораторные занятия
Курсовая работа (проект)
Самостоятельная работа студента
1.
ГЛОССАРИИ
Оформляется в соответствии с пунктом 6.3.1 настоящей документированной
процедуры
1. Процессор (англ.: Processor) – один из основных компонентов компьютера, в задачи
которого входит выполнение различных арифметических операций и координация работы
различных компонентов компьютера. Процессоры присутствуют не только в
персональных компьютерах, но и в различных бытовых и промышленных устройствах,
таких как утюги, стиральные машины, печатающие устройства и прочие.
2. Графического процессора (ГП) в литературе используется термин (англ.:
Graphics Proccesing Unit - GPU). Графический процессор выполняет обработку
графической информации. Он обычно монтируется на видеокарте, но бывает и на
материнской плате.
3. Физический процессор (англ.: Physics Processing Unit, PPU) – специализированный
процессор, предназначен для выполнения математических вычислений при
моделировании различных физических процессов, таких как расчёт динамики тел,
обнаружение столкновений и пр.
4. Цифровой сигнальный процессор (Digital signal processor (DSP)) (сигнальный
микропроцессор, СМП; процессор цифровых сигналов, ПЦС) — специализированный
микропроцессор, предназначенный для цифровой обработки сигналов (обычно в реальном
масштабе времени).
5. Сетевой процессор (англ.: network processor) – это микропроцессор, размещаемый в
сетевых устройствах, выполняющий специализированные операции, которые
востребованы при передаче данных по сетям. Как правило, сетевой процессор
размещается в сетевом устройстве: сетевых платах, маршрутизаторах, коммутаторах и пр.
6. Звуковые сигнальные процессоры (ЗСК) или просто Звуковые процессоры (ЗП),
обрабатывают звуковую информацию в реальном времени, например, создают эффект эха.
В литературе для обозначения таких устройств применяют термин Audio signal processor
или audio processor. Следует отметить, что существует близкий термин – микросхема
звукогенератора или программируемый генератор звука (ПГЗ), которому в английском
языке соответствует термин sound chip. Данные устройства не всегда можно называть
процессорами, хотя такая практика и распространена.
7. Корпус процессора (англ.: Processor package) – способ упаковки микросхемы
процессора. Существует несколько десятков типов корпусов, применяемые для
размещения в них микросхемы процессора. Существуют керамические и пластиковые
корпуса, с различными способами вывода контактов. Подробнее корпусам процессоров
будет посвящена отдельная часть статьи.
8. Микроконтроллер (МК - micro-controller, MCU или µC) - эти устройства являются
специализированными миникомпьютерами, собранными в одной микросхеме. В состав
микроконтроллера может входить помимо микропроцессора: модули памяти, АЦП и ЦАП
и периферийные устройства и др.
9. Арифметическо-логическое устройство (АЛУ - Arithmetic logic unit (ALU)),
которое выполняет основные математические операции (сложение, вычитание, побитовые
операции и прочие).
10. Математический сопроцессор (МСП) – один из основных компонентов
центрального процессора, который обеспечивает ускорение выполнения математических
операций с плавающей запятой. Допускается сокращение термина математический
сопроцессор до простого термина сопроцессор, однако в данном случае следует быть
внимательным, так как существуют сопроцессоры, выполняющие различные
специализированные задачи. В англоязычной литературе для обозначения таких
компонентов используют термин Floating point unit (FPU). Конструктивно сопроцессор
может быть вмонтирован в центральный процессор и выполнен в виде отдельного модуля
вычислительной системы.
11. Ядро процессора. Несмотря на свою распространенность, термин ядро процессора не
имеет чёткого определения. В зависимости от контекста может означать: часть
микропроцессора, содержащую основные функциональные блоки, или набор параметров,
характеризующий микропроцессор, или кристалл микропроцессора (ЦП или ГП). В
англоязычно литературе ядро процессора обозначается термином processor core. При
переводе английского термина core следует быть особенно внимательным, так как
существует линейки процессоров Интел Кор (англ.: Intel Core), Интел Пентиум Дуал Кор
(англ.: Pentium Dual Core), Интел Кор 2 (англ.: Intel Core 2) , Интел Кор 2 Дуо (англ.: Intel
Core 2 Duo) и другие.
12. Количество
ядер (от 1 до 60 )
Число
ядер
в
процессоре.
Новая технология изготовления процессоров позволяет разместить в одном корпусе более
одного ядра. Наличие нескольких ядер значительно увеличивает производительность
процессора. Например, в линейке Core 2 Duo используются двухъядерные процессоры, а в
модельном ряду Core 2 Quad - четырехъядерные.
13. Транзистор (англ.: transistor) – базовых элемент процессора, на котором выполнены
все его узлы. Процессоры используемые в компьютерах выполнены по МОП технологии.
Современный процессор содержат сотен миллионов транзисторов.
14. Socket
Тип сокета - разъема для установки процессора на материнской плате. Как правило, тип
сокета характеризуется количеством ножек и производителем процессора. Разные сокеты
соответствуют
разным
типам
процессоров.
Современные процессоры Intel используют сокет LGA1156, LGA1366 и LGA1155,
процессоры AMD - сокеты AM2+ и AM3.
15. Разъём процессора – (socket) - гнездовой или щелевой разъем для установки
процессора на плате, который предназначен для облегчения монтажа и демонтажа
процессора на материнскую плату, заменив прямую распайку процессора. Как правило,
разъём процессора употребляется в отношении центрального процессора, т.к.
графический и прочие виды процессоров жестко монтируются на карте. Существует два
наиболее популярных разъёма процессоров: гнездовой или сокет (англ.: socket) и щелевой
или слот (англ.: slot). Русские термины сокет и слот, как правило, распространены в
разговорном языке. В русскоязычных статьях по микроэлектронике и профессиональной
компьютерной литературе, как правило, используется вариант щелевого и гнездового
разъёма.
16. Коэффициент умножения (от 6.0 до 30.0 ) Значение коэффициента умножения
процессора, на основании которого производится расчет конечной тактовой частоты
процессора.
Тактовая частота процессора вычисляется как произведение частоты шины (FSB) на
коэффициент умножения. Например, частота шины (FSB) составляет 533 Mhz,
коэффициент умножения - 4.5, получаем: 533*4.5= 2398,5 Mгц. Это и будет тактовой
частотой работы процессора. Почти у всех современных процессоров данный параметр
является заблокированным на уровне ядра и не поддается изменению.
Нужно отметить, что в процессорах Intel Pentium 4, Pentium M, Pentium D, Pentium EE,
Xeon, Core и Core 2 используется технология Quad Pumping, которая позволяет передавать
четыре блока данных за один такт, при этом эффективная частота шины увеличивается в
четыре раза. Для указанных процессоров в поле "Частота шины" приводится эффективная,
то есть увеличенная в четыре раза, частота шины. Для получения физической частоты
шины нужно эффективную частоту разделить на четыре.
17. Линейка
Модельный
ряд,
или
линейка,
к
которой
относится
процессор.
В рамках одной линейки процессоры могут значительно отличаться друг от друга по
целому ряду параметров. У каждого производителя существует так называемая
бюджетная линейка процессоров. Например, у Intel это Celeron и Core Solo а у AMD -
Sempron. Процессоры этих линеек отличаются от своих более дорогих собратьев
отсутствием некоторых функций или меньшим значением параметров. Так, у процессора в
бюджетной линейке может отсутствовать или быть значительно уменьшенной кэш-память
разных уровней. Бюджетные линейки можно рекомендовать для офисных систем, не
требующих большой производительности. Для более ресурсоемких задач (игр, обработки
видео и аудио) рекомендуются "старшие" линейки, например, Core 2 Duo, Core 2 Quad,
Core i3, Core i5, Core i7, Phenom X3, Phenom X4, Phenom II X4, Phenom II X6 и т.п. Для
серверных решений, как правило, используются специализированные линейки
процессоров - Opteron, Xeon и прочие.
18. Максимальная
рабочая
температура (от 54.8 до 105 C)
Допустимая максимальная температура поверхности процессора, при которой возможна
нормальная
работа.
Температура процессора зависит от его загруженности и от качества теплоотвода. В
холостом режиме и при нормальном охлаждении температура процессора находится в
пределах 25-40°C, при высокой загруженности она может достигать 60-70 градусов.
Для процессоров с высокой рабочей температурой рекомендуются мощные системы
охлаждения
Температура процессора – температура различных частей процессора. Перегрев
процессора может вызвать существенные необратимые последствия для устройства.
Поэтому многие процессоры оснащаются набором датчиков (англ.: sensor), позволяющих
контролировать степень нагрева процессора и переводить его в особые режимы работы
при достижении критических температур.
19. Напряжение на ядре (от 0.65 до 1.75 В). Номинальное напряжение питания ядра
процессора.
Этот параметр указывает напряжение, которое необходимо процессору для работы
(измеряется в вольтах). Он характеризует энергопотребление процессора и особенно
важен при выборе CPU для мобильной, нестационарной системы.
20. Кэш (англ.: CPU cache) обычная принадлежность современных процессоров. Кэш,
это память предназначенная для хранения промежуточных результатов работы узлов
процессора и позволяет сократить время работы с оперативной памятью компьютера.
Объем кэш-памяти от нескольких десятков килобайт до нескольких гигабайт.
Современные процессоры содержат кэш-память нескольких уровней. Чем выше уровень
кэша, тем большего он размера, но тем медленнее он работает. В литературе уровни кэшпамяти процессоров обозначаются L1, L2 и L3. В универсальных процессорах, как
правило, количество уровней кэш-памяти не превышает трёх. У нас уровни кэш-памяти
процессоров принято обозначать полностью кэш-память 1-го уровня, кэш-память 2-го
уровня и кэш-память 3-го уровня.
21. Объем кэша L1 (от 8 до 128 Кб). Объем кэш-памяти первого уровня.
Кэш-память первого уровня - это блок высокоскоростной памяти, расположенный прямо
на ядре процессора. В него копируются данные, извлеченные из оперативной памяти.
Сохранение основных команд позволяет повысить производительность процессора за счет
более высокой скорости обработки данных (обработка из кэша быстрее, чем из
оперативной памяти). Емкость кэш-памяти первого уровня невелика и исчисляется
килобайтами. Обычно "старшие" модели процессоров обладают большим объемом кэша
L1. Для многоядерных моделей указывается объем кэш-памяти первого уровня для одного
ядра.
22. Объем кэша L2 (от 128 до 12288 Кб) Объем кэш-памяти второго уровня.
Кэш-память второго уровня - это блок высокоскоростной памяти, выполняющий те же
функции, что и кэш L1 (см. "Объем кэша L1"), однако имеющий более низкую скорость и
больший объем. Если вы выбираете процессор для ресурсоемких задач, то модель с
большим объемом кэша L2 будет предпочтительнее. Для многоядерных процессоров
указывается суммарный объем кэш-памяти второго уровня.
23. Объем кэша L3 (от 0 до 30720 Кб). Объем кэш-памяти третьего уровня.
Интегрированная кэш-память L3 в сочетании с быстрой системной шиной формирует
высокоскоростной канал обмена данными с системной памятью. Как правило, кэшпамятью третьего уровня комплектуются только топовые процессоры и серверные
решения. Кэш-памятью третьего уровня обладают, например, такие линейки процессоров,
как AMD Opteron, AMD Phenom, AMD Phenom II, Intel Core i3, Intel Core i5, Intel Core i7,
Intel Xeon.
24. Регистры процессора (processor register) – малоразмерная, но очень быстрая память
процессора. Используется процессором для хранения обрабатываемых данных (операнда,
результатов вычислений и пр.). Выделяются сегментные регистры и регистры данных.
25. Поддержка
3Dnow
Поддержка
технологии
3DNow!.
3DNow! - это технология, представляющая собой набор из 21 дополнительной команды.
Она предназначена для улучшенной обработки мультимедийных приложений. Эта
характеристика относится только к процессорам производства компании AMD.
26. Поддержка AMD64/EM64T Поддержка технологии AMD64 или EM64T.
Процессоры с 64-битной архитектурой могут одинаково эффективно работать как со
старыми 32-битными приложениями, так и с 64-битными, которые становятся в последнее
время все более популярными. Примеры линеек с 64-битной архитектурой: AMD Athlon
64, AMD Opteron, Core 2 Duo, Intel Xeon 64 и прочие. Процессоры с поддержкой 64битной адресации работают с оперативной памятью свыше 4 Гб, что недоступно
традиционным 32-битным CPU. Для использования преимуществ 64-битных процессоров
необходимо, чтобы ваша операционная система была адаптирована к ним.
Реализация 64-битных расширений в процессорах AMD называется AMD64, в моделях от
Intel - EM64T.
27. Поддержка
HT.
Поддержка
технологии
Hyper-Threading
(HT).
Технология Hyper-Threading, разработанная компанией Intel, позволяет процессору
выполнять параллельно два потока команд (или две части программы). Это значительно
повышает эффективность выполнения специфических приложений, связанных с аудио- и
видеоредактированием, 3D-моделированием и т.п., а также работы в многозадачном
режиме. Однако в некоторых приложениях использование этой технологии может
приводить к обратному эффекту, поэтому при необходимости ее можно отключить.
28. Поддержка
NX
Bit .
Поддержка
технологии
NX
Bit.
NX Bit представляет собой технологию, которая может предотвращать исполнение
вредоносного кода некоторых видов вирусов. Она поддерживается в операционной
системе Windows XP при обязательной установке SP2 и во всех 64-битных операционных
системах
29. Поддержка технологии SSE2. Технология SSE2 включает в себя набор команд,
разработанных компанией Intel в дополнение к своим предыдущим технологиям SSE и
MMX. Эти команды позволяют добиться существенного прироста производительности в
приложениях, оптимизированных под SSE2. Данную технологию поддерживают
практически все современные модели.
30. Поддержка технологии SSE3. SSE3 - технология, представляющая собой набор из 13
новых команд, призванных улучшить производительность процессора в ряде операций
потоковой обработки данных.
31. Поддержка технологии SSE4. SSE4 - технология, представляющая собой набор из 54
новых команд. Они призваны увеличить производительность процессора в работе с
медиаконтентом, в игровых приложениях, задачах трехмерного моделирования.
32. Поддержка Virtualization Technology Virtualization Technology позволяет запускать
на одном компьютере несколько операционных систем одновременно. Таким образом, с
помощью виртуализации одна компьютерная система может функционировать как
несколько виртуальных систем.
33. Тепловыделение (от 10 до 165 Вт) TDP. Величина тепловыделения процессора.
Тепловыделение - это мощность, которую должна отводить система охлаждения, чтобы
обеспечить нормальную работу процессора. Чем больше значение этого параметра, тем
сильнее греется процессор при работе. Этот показатель важен для оверклокеров:
процессор с низким тепловыделением легче охлаждать, и, соответственно, его можно
сильнее разогнать. Однако следует обратить внимание, что производители процессоров по
разному измеряют тепловыделение, поэтому их сравнение корректно только в рамках
одного производителя
34. Потребляемая мощность – одна из электрических характеристик процессора,
которая характеризует максимальное расчетное значение потребляемой мощности.
Потребляемая мощность соответствует сумме произведений мгновенных значений силы
тока на электрическое напряжение всех активных компонентов процессора. Как правило,
употребляя термин потребляемая мощность, имеется в виду максимальная потребляемая
мощность, потребляемая всеми компонентами процессора в соответствии с логикой
выполнения команды. Диапазон потребляемой мощности может варьироваться от 1 до
100Вт. Следствием потребления электрической энергии является нагрев процессора или
выделение тепловой энергии, для обозначения которой используют термин выделяемая
тепловая энергия (ВТЭ). В англоязычной литературе распространён термин thermal design
power (TDP), который соответствует термину ВТЭ, но в некоторых случаях он
ассоциируется с потребляемой мощностью.
35. Техпроцесс
Техпроцесс - это масштаб технологии, которая определяет размеры полупроводниковых
элементов, составляющих основу внутренних цепей процессора (эти цепи состоят из
соединенных соответствующим образом между собой транзисторов). Совершенствование
технологии и пропорциональное уменьшение размеров транзисторов способствуют
улучшению характеристик процессоров. Для сравнения, у ядра Willamette, выполненного
по техпроцессу 0.18 мкм - 42 миллиона транзисторов, а у ядра Prescott, техпроцесс 0.09
мкм - 125 миллионов.
36. Частота
процессора (от 900 до 3800 МГц).
Тактовая
частота
процессора.
Тактовая частота - это количество тактов (операций) процессора в секунду. Тактовая
частота процессора пропорциональна частоте шины (FSB, см. "Частота шины"). Как
правило, чем выше тактовая частота процессора, тем выше его производительность. Но
подобное сравнение уместно только для моделей одной линейки, поскольку, помимо
частоты, на производительность процессора влияют такие параметры, как размер кэша
второго уровня (L2), наличие и частота кэша третьего уровня (L3), наличие специальных
инструкций и другие.
37. Частота шины. Частота шины данных (Front Side Bus, или FSB). Шина данных - это
набор сигнальных линий для передачи информации в процессор и из него.
Частота шины - это тактовая частота, с которой происходит обмен данными между
процессором и системной шиной компьютера. Нужно отметить, что в процессорах Intel
Pentium 4, Pentium M, Pentium D, Pentium EE, Xeon, Core и Core 2 используется технология
Quad Pumping, которая позволяет передавать четыре блока данных за один такт. При этом
эффективная частота шины увеличивается в четыре раза. Для указанных процессоров в
поле "Частота шины" приводится эффективная, то есть увеличенная в четыре раза, частота
шины. В процессорах компании AMD Athlon 64 и Opteron использована технология
HyperTransport. Она позволяет процессору и оперативной памяти взаимодействовать
эффективнее, что положительно сказывается на общей производительности системы.
38. Такт процессора (англ.: processor cycle) – промежуток времени между двумя
сигналами тактового генератора, синхронизирующего выполнение операций.
39. Производительность процессора (англ.: processor’s performance) – характеризует
количество операций, выполненных процессором в единицу времени. Существует
несколько способов измерения производительности процессора. Наиболее простой – это
измерение количества атомарных побитовых операций, выполняемых процессором за
секунду (МОВС, в англоязычной литературе – million instruction per second (MIPS)). Более
сложным является измерение скорости выполнения операций с плавающей запятой,
которая измеряется в флопсах. Термин флопс является калькой от английского FLOPS
(Floating point Operations Per Second). Помимо этого существуют наборы тестов,
предлагаемые производителями микроэлектроники и независимыми разработчиками, для
комплексной оценки производительности процессора. Следует отметить, что термин
производительность процессора часто заменяется термином производительность
вычислительной системы (компьютера). Помимо этого в разговорном языке
распространён термин мощность компьютера (процессора), однако в профессиональной
среде такой термин категорически не допустим.
40. Быстродействие процессора - processor speed (компьютера) – скорость
выполнения вычислительной системой определённых задач (программ).
41. Ядро процессора. Ядро - это главная часть центрального процессора (CPU). Оно
определяет большинство параметров CPU, прежде всего - тип сокета (гнезда, в которое
вставляется процессор), диапазон рабочих частот и частоту работы внутренней шины
передачи данных (FSB). Ядро процессора характеризуется следующими параметрами:
технологический процесс (см. "Техпроцесс"), объем внутреннего кэша первого и второго
уровня (см. "Объем кэша L1", "Объем кэша L2"), напряжение (см. "Напряжение на ядре")
и теплоотдача (насколько сильно будет нагреваться процессор, см. "Тепловыделение").
Прежде чем покупать CPU с тем или иным ядром, необходимо удостовериться, что ваша
материнская плата сможет работать с таким процессором. В рамках одной линейки могут
существовать CPU с разными ядрами. Например, в линейке Intel Core i5 присутствуют
процессоры с ядрами Lynnfield, Clarkdale, Arrandale и Sandy Bridge.
42. Операнд (operand) – указатель на расположение данных, необходимых для
выполнения операции.
43. Операция (англ.: operator) – некоторое типовое действие процессора. Операции
могут быть арифметическими, логическими и прочими, например операции сложения,
вычитания, побитовое сложение и пр.
44. Оператор (англ.: statement) – команда процессору на выполнение определённых
действий (инструкция)
45. Машинная команда – компьютер осуществляет обработку операций, записанных в
специальном машинном коде (англ.: Machine code), который состоит из машинных команд
(англ.: machine code instruction).
46. Данные (англ.: data) – данные в машинном виде, необходимые для выполнения
операции. Данные могут иметь различную длину и тип. Наиболее распространены типы
данных – целые и дробные (с плавающей запятой) числа. В языках высокого уровня
количество типов данных может быть существенно расширено, например, введены
строковые данные, контейнеры и пр.
47. Адрес (англ.: address) – цифровой код, по которому осуществляется обращение к
оперативной памяти или к компонентам вычислительной системы.
48. Конвейер (англ.: pipelining) – способ ускорения работы процессора за счет разбивки
операции на набор однотипных действий, которые для нескольких операций могут
выполняться одновременно (выборка команды, её дешифрация и т.д.).
49. Системной шиной (СШ) обозначают линии передачи данных между процессором и
различными компонентами компьютера и периферийными устройствами. В англоязычной
литературе шину обозначают термином Front side bus (FBS). Выделяется шина адреса
(англ.: address bus) и шина данных (англ.: data bus). Одной из ключевых характеристик
шины является её разрядность (англ.: width of bus). В современных компьютерах
разрядность шины составляет 32 (32-bit) или 64 бита (64-bit). Однако в ряде
специализированных устройств можно встретить и шины другой разрядности. Следует
отметить, что в современном компьютере используется несколько различных шин. К
шинам компьютера мы еще вернёмся в отдельной части статьи.
2.
ЛЕКЦИИ
Лекция №1
Тема: Архитектура компьютера Принципы организации ЭВМ.
История развития
компьютерной техники, поколения ЭВМ и их классификация. Классы вычислительных
машин.
Цель: иметь представление об архитектуре компьютера, знать принципы организации ЭВМ
и историю развития компьютерной техники.
Совокупность
устройств,
предназначенных
для
автоматической
или
автоматизированной обработки информации называют вычислительной техникой.
Конкретный набор, связанных между собою устройств, называют вычислительной системой.
Центральным устройством большинства вычислительных систем является электронная
вычислительная машина (ЭВМ) или компьютер.
В настоящее время сосуществуют компьютеры всевозможных категорий - от
суперкомпьютеров до микрокомпьютеров. Несомненно, наиболее массовыми являются среди
них ПК.
Компьютер считается универсальным, если он одинаково хорошо приспособлен для
решения разнообразных (разнотипных) задач.
Компьютер является однопользовательским, если за ним может работать только один
человек (это, конечно, не исключает возможность работы нескольких человек попеременно).
Наконец, компьютер является микрокомпьютером, если его основу образует
микропроцессор. Процессор вообще - это мозговой центр любого компьютера. Он
производит все вычисления, и он же осуществляет общее управление всеми компонентами
компьютера. Микропроцессором, считают миниатюрный процессор, выполненный на одном
единственном полупроводниковом кристалле. Не нужно забывать об исключительной
сложности микропроцессоров: наиболее совершенные из них содержат не один миллион
транзисторов.
При описании архитектуры компьютера определяется состав входящих в него
компонент, принципы их взаимодействия, а также их функции и характеристики.
Практически все универсальные ЭВМ отражают классическую неймановскую
архитектуру, представленную на схеме. Эта схема во многом характерна как для микроЭВМ,
так и для мини ЭВМ и ЭВМ общего назначения.
Чтобы судить о возможностях ЭВМ, их принято разделять на группы по
определенным признакам, т.е. классифицировать. Сравнительно недавно классифицировать
ЭВМ по различным признакам не составляло большого труда. Важно было только
определить признак классификации, например: но назначению, по габаритам, по
производительности, по стоимости, по элементной базе и т.д.
С развитием технологии производства ЭВМ классифицировать их стало все более
затруднительно, ибо стирались грани между такими важными характеристиками, как
производительность, емкость внутренней и внешней памяти, габариты, вес,
энергопотребление и др. Например, персональный компьютер, для размещения которого
достаточно стола, имеет практически такие же возможности и технические характеристики,
что и достаточно совершенная в недавнем прошлом ЭВМ Единой системы (ЕС), занимающая
машинный зал в сотни квадратных метров. Поэтому разделение ЭВМ по названным
признакам нельзя воспринимать как классификацию по техническим параметрам. Это,
скорее, эвристический подход, где большой вес имеет предполагаемая сфера применения
компьютеров.
В настоящее время ведутся интенсивные работы как по созданию ЭВМ пятого
поколения традиционной (неймановской) архитектуры, так и по созданию и апробации
перспективных архитектур и схемотехнических решений. На формальном и прикладном
уровнях исследуются архитектуры на основе параллельных абстрактных вычислителей
(матричные и клеточные процессоры, систолические структуры, однородные
вычислительные структуры, нейронные сети и др.) Развитие вычислительной техники с
высоким параллелизмом во многом определяется элементной базой, степенью развития
параллельного программного обеспечения и методологией распараллеливания алгоритмов
решаемых задач.
Проблема создания эффективных систем параллельного программирования,
ориентированных на высокоуровневое распараллеливание алгоритмов вычислений и
обработки
данных,
представляется
достаточно
сложной
и
предполагает
дифференцированный подход с учетом сложности распараллеливания и необходимости
синхронизации процессов во времени.
Наряду с развитием архитектурных и системотехнических решений ведутся работы по
совершенствованию технологий производства интегральных схем и по созданию
принципиально новых элементных баз, основанных на оптоэлектронных и оптических
принципах.
В плане создания принципиально новых архитектур вычислительных средств
большое внимание уделяется проектам нейрокомпьютеров, базирующихся на понятии
нейронной сети (структуры на формальных нейронах), моделирующей основные свойства
реальных нейронов. В случае применения био- или оптоэлементов могут быть созданы
соответственно биологические или оптические нейрокомпыотеры. Многие исследователи
считают, что в следующем веке нейрокомпьютсры в значительной степени вытеснят
современные ЭВМ, используемые для решения трудноформализуемых задач. Последние
достижения в микроэлектронике и разработка элементной базы на основе биотехнологий
дают возможность прогнозировать создание биокомпыотеров.
Важным направлением развития вычислительных средств пятого и последующих
поколений является интеллектуализация ЭВМ, связанная с наделением ее элементами
интеллекта, интеллектуализацией интерфейса с пользователем и др. Работа в данном
направлении, затрагивая, в первую очередь, программное обеспечение, потребует и создания
ЭВМ определенной архитектуры, используемых в системах управления базами знаний, компьютеров баз знаний, а так же других подклассов ЭВМ. При этом ЭВМ должна обладать
способностью к обучению, производить ассоциативную обработку информации и вести
интеллектуальный диалог при решении конкретных задач.
Лекция №2
Тема: Представление данных в ЭВМ. Арифметические основы ЭВМ.
Цель: иметь представление об единицах измерения информаций, знать правила перевода
чисел из одной системы счисления в другую и производить арифметические операций с
числами.
Минимальная единица информации – бит. Бит - это информация о состоявшемся
событии, которое могло иметь только два исхода (орел/решка). Бит удобно представлять
двоичным числом (1/0). Любая информация, поступающая в ЭВМ (числа, символы текста,
изображения, звуки), преобразуется в группы (последовательности) двоичных цифр – единиц
и нулей. Каждый двоичный разряд хранится в специальной электронной ячейке, количество
которых в ЭВМ строго определено. В одном разряде можно хранить один бит – любое из
двух (21) значений: 0 или 1. В двух разрядах – любое из 4 (22) значений: 00, 01, 10, 11. В n
разрядах можно хранить любое из 2n значений: от 00…00 до 11…11. Для хранения различной
информации используется строго определенное количество двоичных разрядов.
ð – бит: 1 двоичный разряд.
Очень малый объем информации. В одном разряде можно хранить какой-то признак
(флаг). В 16-ти цветных машинах в одном разряде хранились признаки цвета RGB.
ðððððððð – байт (Byte - слог): 8 двоичных разрядов. Разряды в байте нумеруются от 0
до 7. В зависимости от модели ЭВМ нумерация производится либо справа налево, либо слева
направо.
В байте можно хранить натуральные числа от 0 до 255 (00000000 – 11111111)2, что
явно недостаточно для выполнения математических операций. Поэтому байт используют для
хранения номеров внешних устройств, номеров открытых файлов, кодов символов, частей
команд и т.д. Какая информация хранится в байте, определяет программист (язык
программирования). При хранении кодов символов каждому символу просто присваивается
определенный номер. Существуют международные и национальные стандарты на кодировку
символов.
КОИ-7 – (код обмена информацией) использует 7 бит из возможных 8 (коды от 0 до
127). Хранит коды цифр, знаков препинания и основных математических опреаций,
прописных и строчных латинских символов. В национальных стандартах строчные
латинские буквы и некоторые символы заменяются прописными национальными символами
или подается специальный сигнал внешнему устройству для перехода с латинского на
национальный шрифт.
КОИ-8 - 8-битный код. Коды от 0 до 127 дублируют КОИ-7 с латинскими
символами, а с 128 до 255 – с национальными ( [0…127] + 128 ). Гораздо эффективнее КОИ7, однако не использует все возможности байта, т.к. многие символы верхней части кодовой
таблицы дублируют символы нижней части. (33 и 33+128 – "!", 48 и 48+128 – "0" и т.д.).
ASCII (DOS-кодировка IBM) – коды от 0 до 127 практически дублируют КОИ-7, а в
верхней части таблицы размещают специальные и национальные символы. Дублирование
нижней части таблицы исключено.
ANSI (Кодировка WINDOWS) – отличается от ASCII размещением и набором
символов верхней части таблицы. (Цель появления – создать неудобства и заставить
приобретать новое программное обеспечение(?), т.к. даже тексты Windows не читаются в
DOS).
Начиная с Windows-95 применяется кодировка Unicode, использующая 2 байта для
хранения символа (1 байт – номер символа, 2 – номер национальной или символьной
страницы), что обеспечивает поддержку практически любого языка ( 65536 символов от 0 до
65535).
Иногда в байте хранят натуральные (0…255) или целые числа (-128…127). При этом
само число хранится в 7 младших (правых) разрядах, а в старшем разряде хранится признак
знака.
Байт является стандартной базовой единицей, из которой образуются все остальные
единицы машинных данных.
210 байт
= 1024 байта
= 1 Кбайт (килобайт)
210 Кбайт
= 1024 Кбайта
= 1 Мбайт (мегабайт)
10
2 Мбайт
= 1024 Мбайта
= 1 Гбайт (гигабайт) и т.д.
Машинное слово – количество двоичных разрядов, которые одновременно
обрабатывает процессор. Длина машинного слова кратна байту. Для различных ЭВМ длина
слова различна: 16, 32, 64 и т.д. разрядов. Отсюда байт называют пол-словом, четвертьсловом, одной восьмой слова и т.п. Поэтому во избежание ошибок лучше характеризовать
длину машинных данных в байтах.
Для хранения чисел в реальных языках программирования используют, как правило,
не менее 2 байт, например целые числа в формате Integer:
от –32 768 до 32 767 (помнить +/- 32000)
При хранении чисел в 4 байтах получаем:
Целые числа (формат LongInteger) –
от – 2 147 483 648 до 2 147 483 647
Дробные числа, в зависимости от формата
Real: –
~ от ± 2,9 • 10-37 до ± 1,7 • 1038
Single: –
~ от ± 1,4 • 10-45 до ± 3,4 • 1038
Существуют стандарты для хранения чисел в 8, 16 и т.д. байт.
Система счисления — это способ записи чисел с помощью заданного набора
специальных знаков (цифр).
Двоичная система счисления. В этой системе всего две цифры - 0 и 1. Особую роль
здесь играет число 2 и его степени: 2, 4, 8 и т.д. Самая правая цифра числа показывает число
единиц, следующая цифра - число двоек, следующая - число четверок и т.д. Двоичная
система счисления позволяет закодировать любое натуральное число - представить его в
виде последовательности нулей и единиц. В двоичном виде можно представлять не только
числа, но и любую другую информацию: тексты, картинки, фильмы и аудиозаписи.
Инженеров двоичное кодирование привлекает тем, что легко реализуется технически.
Десятичная система счисления. Пришла в Европу из Индии, где она появилась не
позднее VI века н.э. В этой системе 10 цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, но информацию несет не
только цифра, но и место, на котором цифра стоит (то есть ее позиция). В десятичной
системе счисления особую роль играют число 10 и его степени: 10, 100, 1000 и т.д. Самая
правая цифра числа показывает число единиц, вторая справа - число десятков, следующая число сотен и т.д.
Восьмеричная система счисления. В этой системе счисления 8 цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6,
7. Цифра 1, указанная в самом младшем разряде, означает - как и в десятичном числе просто единицу. Та же цифра 1 в следующем разряде означает 8, в следующем 64 и т.д.
Число 100 (восьмеричное) есть не что иное, как 64 (десятичное). Чтобы перевести в
двоичную систему, например, число 611 (восьмеричное), надо заменить каждую цифру
эквивалентной ей двоичной триадой (тройкой цифр). Легко догадаться, что для перевода
многозначного двоичного числа в восьмеричную систему нужно разбить его на триады
справа налево и заменить каждую триаду соответствующей восьмеричной цифрой.
Шестнадцатеричная система счисления. Запись числа в восьмеричной системе
счисления достаточно компактна, но еще компактнее она получается в шестнадцатеричной
системе. В качестве первых 10 из 16 шестнадцатеричных цифр взяты привычные цифры 0, 1,
2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, а вот в качестве остальных 6 цифр используют первые буквы латинского
алфавита: A, B, C, D, E, F. Цифра 1, записанная в самом младшем разряде, означат просто
единицу. Та же цифра 1 в следующем - 16 (десятичное), в следующем - 256 (десятичное) и
т.д. Цифра F, указанная в самом младшем разряде, означает 15 (десятичное). Перевод из
шестнадцатеричной системы в двоичную и обратно производится аналогочно тому, как это
делается для восьмеричной системы.
Существуют позиционные и непозиционные системы счисления. В непозиционных
системах вес цифры (т.е. тот вклад, который она вносит в значение числа) не зависит от ее
позиции в записи числа. Так, в римской системе счисления в числе ХХХII (тридцать два) вес
цифры Х в любой позиции равен просто десяти.
В позиционных системах счисления вес каждой цифры изменяется в зависимости от
ее положения (позиции) в последовательности цифр, изображающих число. Например, в
числе 757,7 первая семерка означает 7 сотен, вторая – 7 единиц, а третья – 7 десятых долей
единицы.
Сама же запись числа 757,7 означает сокращенную запись выражения
700 + 50 + 7 + 0,7 = 7 * 102 + 5 * 101 + 7 * 100 + 7 * 10-1 = 757,7.
Любая позиционная система счисления характеризуется своим основанием.
Основание позиционной системы счисления — это количество различных знаков или
символов, используемых для изображения цифр в данной системе. За основание системы
можно принять любое натуральное число — два, три, четыре и т.д. Следовательно, возможно
бесчисленное множество позиционных систем: двоичная, троичная, четверичная и т.д.
Запись чисел в каждой из систем счисления с основанием q означает сокращенную запись
выражения
an-1 qn-1 + an-2 qn-2+ ... + a1 q1 + a0 q0 + a-1 q-1 + ... + a-m q-m,
где ai – цифры системы счисления; n и m – число целых и дробных разрядов,
соответственно.
В каждой системе счисления цифры упорядочены в соответствии с их значениями: 1
больше 0, 2 больше 1 и т.д.
В любой системе счисления для представления чисел выбираются некоторые символы
(слова или знаки), называемые базисными числами, а все остальные числа получаются в
результате каких-либо операций из базисных чисел данной системы счисления.
Системы счисления различаются выбором базисных чисел и правилами образования
из них остальных чисел.
Единицей информации в компьютере является один бит (bit), т.е. двоичный разряд,
который может принимать значение 0 или 1. Бит — это фундаментальная единица,
определяющая количество информации, подвергаемое обработке или переносимое из одного
места в другое. Поскольку биты записываются нулями и единицами, их последовательные
совокупности позволяют кодировать двоичные числа (binary numbers) — значение в
двоичной системе счисления.
В более привычной для человека десятичной системе счисления (по основанию 10)
для представления чисел используется десять символов: 0, 1, 2, 3, 4,5,6,7,8и 9. Чтобы
составить число, значение которого в десятичной системе счисления больше 9 (например,
27), комбинируют две цифры: при этом позиции символов имеют определенный смысл.
Прогрессия значений, связанная с позицией цифры, возрастает, как показано на рис. 1.,
пропорционально степени основания.
Рис. 1. Пример представления числа в десятичной системе счисления
Десятичное число, состоящее хотя бы из двух цифр, является суммой различных
степеней основания, умноженных на соответствующую цифру. Так, число 10 представляет
собой сумму из одного десятка (101) и нуля единиц (100), а число 423 — сумму из четырех
сотен (102), двух десятков (101) и трех единиц (100).
Рассмотренный метод представления чисел достаточно универсален и используется в
других системах счисления, в которых основание отлично от десяти. Например, в системе с
основанием 8 задействовано восемь символов: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7, а значимость каждой
позиции возрастает пропорционально степени числа 8, как показано на рис.2.
Рис. 2. Пример предоставления числа в восьмеричной системе счисления.
Как уже отмечалось, компьютер способен обрабатывать информацию в двоичной
системе счисления. В ней используются только два символа 0 и 1, а смещение символа на
одну позицию влево увеличивает значение числа пропорционально степени основания 2. На
рис. 3 показано восьмибитовое (1 байт) представление числа 58 в двоичной системе
счисления.
Рис. 3. Пример представления числа в двоичной системе счисления.
Перевод числа из одной системы счисление в другую
Из всех систем счисления особенно проста и поэтому интересна для технической
реализации в компьютерах двоичная система счисления. Эта система имеет ряд преимуществ
перед другими системами:

для ее реализации нужны технические устройства с двумя устойчивыми
состояниями (есть ток — нет тока, намагничен — не намагничен и т.п.), а не, например, с
десятью, — как в десятичной;

представление информации посредством только двух состояний надежно и
помехоустойчиво;

возможно применение аппарата булевой алгебры для выполнения логических
преобразований информации;

двоичная арифметика намного проще десятичной.
Недостаток двоичной системы — быстрый рост числа разрядов, необходимых для
записи чисел. Являясь удобной для компьютеров, для человека двоичная система неудобна
из-за ее громоздкости и непривычной записи.
Перевод чисел из десятичной системы в двоичную и наоборот выполняет машина.
Однако чтобы профессионально использовать компьютер, следует научиться понимать слово
машины. Для этого и разработаны восьмеричная и шестнадцатеричная системы.
Числа в этих системах читаются почти так же легко, как десятичные, требуют
соответственно в три (восьмеричная) и в четыре (шестнадцатеричная) раза меньше разрядов,
чем в двоичной системе (ведь числа 8 и 16 – соответственно, третья и четвертая степени
числа 2).
Перевод восьмеричных и шестнадцатеричных чисел в двоичную систему очень прост:
достаточно каждую цифру заменить эквивалентной ей двоичной триадой (тройкой цифр) или
тетрадой (четверкой цифр).
То есть, чтобы перевести число из двоичной системы в восьмеричную или
шестнадцатеричную, его нужно разбить влево и вправо от запятой на триады (для
восьмеричной) или тетрады (для шестнадцатеричной) и каждую такую группу заменить
соответствующей восьмеричной (шестнадцатеричной) цифрой.
Как перевести целое число из десятичной системы в любую другую позиционную
систему счисления?
При переводе целого десятичного числа в систему с основанием q его необходимо
последовательно делить на q до тех пор, пока не останется остаток, меньший или равный q–
1. Число в системе с основанием q записывается как последовательность остатков от
деления, записанных в обратном порядке, начиная с последнего.
Пример: Перевести число 75 из десятичной системы в двоичную, восьмеричную и
шестнадцатеричную:
Ответ: 7510 = 1 001 0112 = 1138 = 4B16.
Как пеpевести пpавильную десятичную дpобь в любую другую позиционную систему
счисления?
Пpи переводе правильной десятичной дpоби в систему счисления с основанием q
необходимо сначала саму дробь, а затем дробные части всех последующих произведений
последовательно умножать на q, отделяя после каждого умножения целую часть
произведения. Число в новой системе счисления записывается как последовательность
полученных целых частей произведения. Умножение производится до тех поp, пока дробная
часть произведения не станет равной нулю. Это значит, что сделан точный пеpевод. В
противном случае перевод осуществляется до заданной точности. Достаточно того
количества цифp в pезультате, котоpое поместится в ячейку.
Пример: Перевести число 0,35 из десятичной системы в двоичную, восьмеричную и
шестнадцатеричную:
Ответ: 0,3510 = 0,010112 = 0,2638 = 0,5916 .
Как перевести число из двоичной (восьмеричной, шестнадцатеричной) системы
в десятичную?
При переводе числа из двоичной (восьмеричной, шестнадцатеричной) системы в
десятичную надо это число представить в виде суммы степеней основания его системы
счисления.
Арифметические операции в позиционных системах счисления
Рассмотрим основные арифметические операции: сложение, вычитание, умножение и
деление. Правила выполнения этих операций в десятичной системе хорошо известны — это
сложение, вычитание, умножение столбиком и деление углом. Эти правила применимы и ко
всем другим позиционным системам счисления.
При сложении цифры суммируются по разрядам, и если при этом возникает избыток,
то он переносится влево.
Умножение
Выполняя умножение многозначных чисел в различных позиционных системах
счисления, можно использовать обычный алгоритм перемножения чисел в столбик, но при
этом результаты перемножения и сложения однозначных чисел необходимо заимствовать из
соответствующих рассматриваемой системе таблиц умножения и сложения.
Ввиду чрезвычайной простоты таблицы умножения в двоичной системе, умножение
сводится лишь к сдвигам множимого и сложениям.
Деление
Деление в любой позиционной системе счисления производится по тем же правилам,
как и деление углом в десятичной системе. В двоичной системе деление выполняется
особенно просто, ведь очередная цифра частного может быть только нулем или единицей.
Лекция №3
Тема: Логические основы ЭВМ.
Цель: иметь представление о логической основе компьютера.
В ЭВМ используются различные устройства, работу которых прекрасно описывает
алгебра логики. К таким устройствам относятся группы переключателей, триггеры,
сумматоры.
Кроме того, связь между булевой алгеброй и компьютерами лежит и в используемой в
ЭВМ системе счисления. Как известно она двоичная. Поэтому в устройствах компьютера
можно хранить и преобразовывать как числа, так и значения логических переменных.
Переключательные схемы
В ЭВМ применяются электрические схемы, состоящие из множества переключателей.
Переключатель может находиться только в двух состояниях: замкнутом и разомкнутом. В
первом случае – ток проходит, во втором – нет. Описывать работу таких схем очень удобно с
помощью алгебры логики. В зависимости от положения переключателей можно получить
или не получить сигналы на выходах.
Вентили, триггеры и сумматоры
Вентиль представляет собой логический элемент, который принимает одни двоичные
значения и выдает другие в зависимости от своей реализации. Так, например, есть вентили,
реализующие логическое умножение (конъюнкцию), сложение (дизъюнкцию) и отрицание.
Триггеры и сумматоры – это относительно сложные устройства, состоящие из более
простых элементов – вентилей.
Триггер способен хранить один двоичный разряд, за счет того, что может находиться
в двух устойчивых состояниях. В основном триггеры используется в регистрах процессора.
Сумматоры широко используются в арифметико-логических устройствах (АЛУ)
процессора и выполняют суммирование двоичных разрядов.
Для логических величин обычно используются три операции:
1.
Конъюнкция – логическое умножение (И) – and, &, ∧.
2.
Дизъюнкция – логическое сложение (ИЛИ) – or, |, v.
3.
Логическое отрицание (НЕ) – not, ¬.
Логические выражения можно преобразовывать в соответствии с законами алгебры
логики:
1.
Законы рефлексивности
a∨a=a
a∧a=a
2.
Законы коммутативности
a∨b=b∨a
a∧b=b∧a
3.
Законы ассоциативности
(a ∧ b) ∧ c = a ∧ (b ∧ c)
(a ∨ b) ∨ c = a ∨ (b ∨ c)
4.
Законы дистрибутивности
a ∧ (b ∨ c) = a ∧ b ∨ a ∧ c
a ∨ b ∧ c = (a ∨ b) ∧ (a ∨ c)
5.
Закон отрицания отрицания
¬ (¬ a) = a
6.
Законы де Моргана
¬ (a ∧ b) = ¬ a ∨ ¬ b
¬ (a ∨ b) = ¬ a ∧ ¬ b
7.
Законы поглощения
a∨a∧b=a
a ∧ (a ∨ b) = a
В основе построения компьютеров, а точнее аппаратного обеспечения, лежат так
называемые вентили. Они представляют собой достаточно простые элементы, которые
можно комбинировать между собой, создавая тем самым различные схемы. Одни схемы
подходят для осуществления арифметических операций, а на основе других строят
различную память ЭВМ.
Простейший вентиль представляет собой транзисторный инвертор, который
преобразует низкое напряжение в высокое или наоборот (высокое в низкое). Это можно
представить как преобразование логического нуля в логическую единицу или наоборот. Т.е.
получаем вентиль НЕ.
Соединив пару транзисторов различным способом, получают вентили ИЛИ-НЕ и ИНЕ. Эти вентили принимают уже не один, а два и более входных сигнала. Выходной сигнал
всегда один и зависит (выдает высокое или низкое напряжение) от входных сигналов. В
случае вентиля ИЛИ-НЕ получить высокое напряжение (логическую единицу) можно только
при условии низкого напряжении на всех входах. В случае вентиля И-НЕ все наоборот:
логическая единица получается, если все входные сигналы будут нулевыми. Как видно, это
обратно таким привычным логическим операциям как И и ИЛИ. Однако обычно
используются вентили И-НЕ и ИЛИ-НЕ, т.к. их реализация проще: И-НЕ и ИЛИ-НЕ
реализуются двумя транзисторами, тогда как логические И и ИЛИ тремя.
Выходной сигнал вентиля можно выражать как функцию от входных.
Транзистору требуется очень мало времени для переключения из одного состояния в
другое (время переключения оценивается в наносекундах). И в этом одно из существенных
преимуществ схем, построенных на их основе.
Арифметико-логическое устройство процессора (АЛУ) обязательно содержит в своем
составе такие элементы как сумматоры. Эти схемы позволяют складывать двоичные числа.
Как происходит сложение? Допустим, требуется сложить двоичные числа 1001 и
0011. Сначала складываем младшие разряды (последние цифры): 1+1=10. Т.е. в младшем
разряде будет 0, а единица – это перенос в старший разряд. Далее: 0 + 1 + 1(от переноса) =
10, т.е. в данном разряде снова запишется 0, а единица уйдет в старший разряд. На третьем
шаге: 0 + 0 + 1(от переноса) = 1. В итоге сумма равна 1100.
Полусумматор
Теперь не будем обращать внимание на перенос из предыдущего разряда и
рассмотрим только, как формируется сумма текущего разряда. Если были даны две единицы
или два нуля, то сумма текущего разряда равна 0. Если одно из двух слагаемых равно
единице, то сумма равна единицы. Получить такие результаты можно при использовании
вентиля ИСКЛЮЧАЮЩЕГО ИЛИ.
Перенос единицы в следующий разряд происходит, если два слагаемых равны
единице. И это реализуемо вентилем И.
Тогда сложение в пределах одного разряда (без учета возможной пришедшей единицы
из младшего разряда) можно реализовать изображенной ниже схемой, которая называется
полусумматором. У полусумматора два входа (для слагаемых) и два выхода (для суммы и
переноса). На схеме изображен полусумматор, состоящий из вентилей ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ
ИЛИ и И.
В отличие от полусумматора сумматор учитывает перенос из предыдущего разряда,
поэтому имеет не два, а три входа.
Чтобы учесть перенос приходится схему усложнять. По-сути она получается,
состоящей из двух полусумматоров.
Рассмотрим один из случаев. Требуется сложить 0 и 1, а также 1 из переноса. Сначала
определяем сумму текущего разряда. Судя по левой схеме ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, куда
входят a и b, на выходе получаем единицу. В следующее ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ уже
входят две единицы. Следовательно, сумма будет равна 0.
Теперь смотрим, что происходит с переносом. В один вентиль И входят 0 и 1 (a и b).
Получаем 0. Во второй вентиль (правее) заходят две единицы, что дает 1. Проход через
вентиль ИЛИ нуля от первого И и единицы от второго И дает нам 1.
Проверим работу схемы простым сложением 0 + 1 + 1 = 10. Т.е. 0 остается в текущем
разряде, и единица переходит в старший. Следовательно, логическая схема работает верно.
Лекция №4
Тема: Функциональная организация ЭВМ. Командный цикл процессора. Организация
устройств ЭВМ.
Цель: знать о функциональных средствах ЭВМ.
Электронные вычислительные машины включают, кроме аппаратурной части и
программного обеспечения (ПО), большое количество функциональных средств. К ним
относятся коды, с помощью которых обрабатываемая информация представляется в
цифровом виде: арифметические коды - для выполнения арифметических преобразований
числовой информации; помехозащищенные коды, используемые для защиты информации от
искажений; коды формы, определяющие, как должна выглядеть обрабатываемая в ЭВМ
информация при отображении; цифровые коды аналоговых величин (звука, “живого видео”)
и др. Кроме кодов на функционирование ЭВМ оказывают влияние алгоритмы их
формирования и обработки, технология выполнения различных процедур (например,
начальной загрузки операционной системы, принятой в системе технологии обработки
заданий пользователей и др.); способы использования различных устройств и организация их
работы (например, организация системы прерываний или организация прямого доступа к
памяти), устранение негативных явлений (например, таких, как фрагментация памяти) и др.
Будем считать, что коды, система команд, алгоритмы выполнения машинных
операций, технология выполнения различных процедур и взаимодействия hard и soft,
способы использования устройств при организации их совместной работы, составляющие
идеологию функционирования ЭВМ, образуют функциональную организацию ЭВМ.
Реализована идеология функционирования ЭВМ может быть по-разному:
аппаратурными, программно-аппаратурными или программными средствами. При
аппаратурной и программно-аппаратурной реализации могут быть применены регистры,
дешифраторы,
сумматоры;
блоки
жесткого
аппаратурного
управления
или
микропрограммного с управлением подпрограммами (комплексами микроопераций);
устройства или комплексы устройств, реализованные в виде автономных систем
(программируемых или с жестким управлением) и др. При программной реализации могут
быть применены различные виды программ - обработчики прерываний, резидентные или
загружаемые драйверы, соm-, ехе- или tsr - программы, bat- файлы и др.
Будем считать, что способы реализации функций ЭВМ составляют структурную
организацию ЭВМ. Тогда элементная база, функциональные узлы и устройства ЭВМ,
программные модули различных видов (обработчики прерываний, драйверы, соm-, ехе-, tsrпрограммы, bat-файлы и др.) являются структурными компонентами ЭВМ.
При серьезных конструктивных различиях ЭВМ могут быть совместимыми, т.е.
приспособленными к работе с одними и теми же программами (программная совместимость)
и получению одних и тех же результатов при обработке одной и той же, однотипно
представленной информации (информационная совместимость). Если аппаратурная часть
электронных вычислительных машин допускает их электрическое соединение для
совместной работы и предусматривает обмен одинаковыми последовательностями сигналов,
то имеет место и техническая совместимость ЭВМ.
Совместимые ЭВМ должны иметь одинаковую функциональную организацию:
информационные элементы (символы) должны одинаково представляться при вводе и
выводе из ЭВМ, система команд должна обеспечивать в этих ЭВМ получение одинаковых
результатов при одинаковых преобразованиях информации. Работой таких машин должны
управлять одинаковые или функционально совместимые операционные системы (а для этого
должны быть совместимы методы и алгоритмы планирования и управления работой
аппаратурно-программного вычислительного комплекса). Аппаратурные средства должны
иметь согласованные питающие напряжения, частотные параметры сигналов, а главное состав, структуру и последовательность выработки управляющих сигналов.
При неполной совместимости ЭВМ (при наличии различий в их функциональной
организации) применяют эмуляторы, т.е. программные преобразователи функциональных
элементов.
Состав функциональных блоков и структурных средств неоднороден. Поэтому в
большинстве случаев функциональная и структурная организация будут рассматриваться в
тех разделах, которые посвящены соответствующим аппаратурной части (hardware) или
программному обеспечению (Software).
Назначение
и
структура
процессора,
состав
устройств.
Процессором называется устройство, непосредственно осуществляющее процесс обработки
данных и программное управление этим процессом. Процессор дешифрирует и выполняет
команды программы, организует обращения к оперативной памяти, в нужных случаях
инициирует работу периферийных устройств, воспринимает и обрабатывает запросы,
поступающие из устройств машины и из внешней среды (“запросы прерывания”).
Процессор занимает центральное место в структуре ЭВМ, так как он осуществляет
управление взаимодействием всех устройств, входящих в состав ЭВМ.
Выполнение команды (машинной операции) разделено на более мелкие этапы —
микрооперации (микрокоманды), во время которых выполняются определенные
элементарные действия. Конкретный состав микроопераций определяется системой команд и
логической структурой данной ЭЗМ. Последовательность микроопераций (микрокоманд),
реализующих данную операцию (команду), образует микропрограмму операции.
Для определений временных соотношений между различными этапами операции
используется понятие машинного такта. Машинный такт определяет интервал времени, в
течение которого выполняется одна или одновременно несколько микроопераций. Границы
тактов задаются синхросигналами, вырабатываемыми специальной схемой — генератором
синхросигналов.
Таким образом, может быть установлена следующая иерархия этапов выполнения
программ в процессоре: программа, команда (микропрограмма), микрооперация
(микрокоманда).
В процессор входят: арифметическо - логическое устройство АЛУ, управляющее
устройство (управляющий автомат) УУ, блок управляющих регистров БУР, блок
регистровой памяти (местная память) и блок связи с ОП и некоторым другим, в том числе
внешним по отношению к ЭВМ, оборудованием.
В состав процессора могут также входить и некоторые другие блоки, участвующие в
организации вычислительного процесса (блок прерывания, блок защиты памяти, блок
контроля правильности работы и диагностики процессора и др.). Оперативная (основная)
память выполняется в виде отдельного устройства, хотя в небольших ЭВМ может
конструктивно объединяться с процессором и использовать частично его оборудование.
Арифметическо-логическое устройство процессора выполняет логические и
арифметические операции над данными. В общем случае в АЛУ выполняются логические
преобразования над логическими кодами фиксированной и переменной длины (над
отдельными битами, группами бит, байтами и их последовательностями) , арифметические
операции над числами с фиксированной и плавающей точками, над десятичными числами,
обработка алфавитно-цифровых слов переменной длины и др. Характер выполняемой АЛУ
операции задается командой программы.
В процессоре может быть одно универсальное АЛУ для выполнения всех основных
арифметических и логических преобразований или несколько специализированных для
отдельных видов операций. В последнем случае увеличивается количество оборудования
процессора, но повышается его быстродействие за счет специализации и упрощения схем
выполнения отдельных операций.
Управляющее устройство (управляющий автомат) вырабатывает последовательность
управляющих сигналов, инициирующих выполнение соответствующей последовательности
микроопераций, обеспечивающей реализацию текущей команды.
Блок управляющих регистров предназначен для временного хранения управляющей
информации. Он содержит регистры и счетчики, участвующие в управлении
вычислительным процессом: регистры, хранящие информацию о состоянии процессора,
регистр-счетчик адреса команды — счетчик команд (СчК), счетчики тактов, регистр
запросов прерывания и др. К блоку управляющих регистров следует также отнести
управляющие триггеры, фиксирующие режимы работы процессора.
Для повышения быстродействия и логических возможностей процессора и
микропроцессора в их состав включают блок регистровой памяти (местную память)
небольшой емкости, но более высокого, чем ОП, быстродействия. Регистры этого блока (или
ячейки местной памяти) указываются в командах программы путем укороченной
регистровой адресации и служат для хранения операндов, в качестве аккумуляторов
(регистров результата операций), базовых и индексных регистров, указателя стека.
Местная память выполняется главным образом на быстродействующих
полупроводниковых интегральных ЗУ.
Блок связи (интерфейс процессора) организует обмен информацией процессора с
оперативной памятью и защиту участков ОП от недозволенных данной программе
обращений, а также связь процессора с периферийными устройствами и внешним по
отношению к ЭВМ оборудованием (другими ЭВМ и т.д.).
Лекция №5
Тема: Организация памяти ЭВМ. Управление памятью компьютера.
Цель: иметь представление об организации и управлении памяти.
Главная задача компьютерной системы – выполнять программы. Программы вместе с
данными, к которым они имеют доступ, в процессе выполнения должны (по крайней мере
частично) находиться в оперативной памяти. Операционной системе приходится решать
задачу распределения памяти между пользовательскими процессами и компонентами ОС.
Эта деятельность называется управлением памятью. Таким образом, память (storage,
memory) является важнейшим ресурсом, требующим тщательного управления. В недавнем
прошлом память была самым дорогим ресурсом.
Часть ОС, которая отвечает за управление памятью, называется менеджером памяти.
Физическая организация памяти компьютера
Запоминающие устройства компьютера разделяют, как минимум, на два уровня:
основную (главную, оперативную, физическую) и вторичную (внешнюю) память.
Основная память представляет собой упорядоченный массив однобайтовых ячеек, каждая
из которых имеет свой уникальный адрес (номер). Процессор извлекает команду из основной
памяти, декодирует и выполняет ее. Для выполнения команды могут потребоваться
обращения еще к нескольким ячейкам основной памяти. Обычно основная память
изготавливается с применением полупроводниковых технологий и теряет свое содержимое
при отключении питания.
Вторичную память (это главным образом диски) также можно рассматривать как
одномерное линейное адресное пространство, состоящее из последовательности байтов. В
отличие от оперативной памяти, она является энергонезависимой, имеет существенно
большую емкость и используется в качестве расширения основной памяти.
Эту схему можно дополнить еще несколькими промежуточными уровнями, как показано на .
Разновидности памяти могут быть объединены в иерархию по убыванию времени доступа,
возрастанию цены и увеличению емкости.
Многоуровневую схему используют следующим образом. Информация, которая
находится в памяти верхнего уровня, обычно хранится также на уровнях с большими
номерами. Если процессор не обнаруживает нужную информацию на i-м уровне, он начинает
искать ее на следующих уровнях. Когда нужная информация найдена, она переносится в
более быстрые уровни.
Локальность
Оказывается, при таком способе организации по мере снижения скорости доступа к
уровню
памяти
снижается
также
и
частота
обращений
к
нему.
Ключевую роль здесь играет свойство реальных программ, в течение ограниченного отрезка
времени способных работать с небольшим набором адресов памяти. Это эмпирически
наблюдаемое свойство известно как принцип локальности или локализации обращений.
Свойство локальности (соседние в пространстве и времени объекты характеризуются
похожими свойствами) присуще не только функционированию ОС, но и природе вообще. В
случае ОС свойство локальности объяснимо, если учесть, как пишутся программы и как
хранятся данные, то есть обычно в течение какого-то отрезка времени ограниченный
фрагмент кода работает с ограниченным набором данных. Эту часть кода и данных удается
разместить в памяти с быстрым доступом. В результате реальное время доступа к памяти
определяется временем доступа к верхним уровням, что и обусловливает эффективность
использования иерархической схемы. Надо сказать, что описываемая организация
вычислительной системы во многом имитирует деятельность человеческого мозга при
переработке информации. Действительно, решая конкретную проблему, человек работает с
небольшим объемом информации, храня не относящиеся к делу сведения в своей памяти или
во внешней памяти (например, в книгах).
Кэш процессора обычно является частью аппаратуры, поэтому менеджер памяти ОС
занимается распределением информации главным образом в основной и внешней памяти
компьютера. В некоторых схемах потоки между оперативной и внешней памятью
регулируются программистом (см. например, далее оверлейные структуры), однако это
связано с затратами времени программиста, так что подобную деятельность стараются
возложить на ОС.
Адреса в основной памяти, характеризующие реальное расположение данных в
физической памяти, называются физическими адресами. Набор физических адресов, с
которым работает программа, называют физическим адресным пространством.
Логическая память
Аппаратная организация памяти в виде линейного набора ячеек не соответствует
представлениям программиста о том, как организовано хранение программ и данных.
Большинство программ представляет собой набор модулей, созданных независимо друг от
друга. Иногда все модули, входящие в состав процесса, располагаются в памяти один за
другим, образуя линейное пространство адресов. Однако чаще модули помещаются в разные
области памяти и используются по-разному.
Схема управления памятью, поддерживающая этот взгляд пользователя на то, как
хранятся программы и данные, называется сегментацией. Сегмент – область памяти
определенного назначения, внутри которой поддерживается линейная адресация. Сегменты
содержат процедуры, массивы, стек или скалярные величины, но обычно не содержат
информацию смешанного типа.
По-видимому, вначале сегменты памяти появились в связи с необходимостью
обобществления процессами фрагментов программного кода (текстовый редактор,
тригонометрические библиотеки и т. д.), без чего каждый процесс должен был хранить в
своем адресном пространстве дублирующую информацию. Эти отдельные участки памяти,
хранящие информацию, которую система отображает в память нескольких процессов,
получили название сегментов. Память, таким образом, перестала быть линейной и
превратилась в двумерную. Адрес состоит из двух компонентов: номер сегмента, смещение
внутри сегмента. Далее оказалось удобным размещать в разных сегментах различные
компоненты процесса (код программы, данные, стек и т. д.). Попутно выяснилось, что можно
контролировать характер работы с конкретным сегментом, приписав ему атрибуты,
например права доступа или типы операций, которые разрешается производить с данными,
хранящимися в сегменте.
Некоторые сегменты, описывающие адресное пространство процесса, показаны на.
Более подробная информация о типах сегментов имеется в лекции 10.
Большинство современных ОС поддерживают сегментную организацию памяти. В
некоторых архитектурах (Intel, например) сегментация поддерживается оборудованием.
Адреса, к которым обращается процесс, таким образом, отличаются от адресов, реально
существующих в оперативной памяти. В каждом конкретном случае используемые
программой адреса могут быть представлены различными способами. Например, адреса в
исходных текстах обычно символические. Компилятор связывает эти символические адреса
с перемещаемыми адресами (такими, как n байт от начала модуля). Подобный адрес,
сгенерированный программой, обычно называют логическим (в системах с виртуальной
памятью он часто называется виртуальным) адресом. Совокупность всех логических адресов
называется логическим (виртуальным) адресным пространством.
Связывание адресов
Итак логические и физические адресные пространства ни по организации, ни по
размеру не соответствуют друг другу. Максимальный размер логического адресного
пространства обычно определяется разрядностью процессора (например, 232) и в
современных системах значительно превышает размер физического адресного
пространства. Следовательно, процессор и ОС должны быть способны отобразить ссылки в
коде программы в реальные физические адреса, соответствующие текущему расположению
программы в основной памяти. Такое отображение адресов называют трансляцией
(привязкой) адреса или связыванием адресов. Связывание логического адреса,
порожденного оператором программы, с физическим должно быть осуществлено до начала
выполнения оператора или в момент его выполнения. Таким образом, привязка инструкций и
данных к памяти в принципе может быть сделана на следующих шагах .

Этап компиляции (Compile time). Когда на стадии компиляции известно точное
место размещения процесса в памяти, тогда непосредственно генерируются физические
адреса. При изменении стартового адреса программы необходимо перекомпилировать ее код.
В качестве примера можно привести .com программы MS-DOS, которые связывают ее с
физическими адресами на стадии компиляции.

Этап загрузки (Load time). Если информация о размещении программы на
стадии компиляции отсутствует, компилятор генерирует перемещаемый код. В этом случае
окончательное связывание откладывается до момента загрузки. Если стартовый адрес
меняется, нужно всего лишь перезагрузить код с учетом измененной величины.

Этап выполнения (Execution time). Если процесс может быть перемещен во
время выполнения из одной области памяти в другую, связывание откладывается до стадии
выполнения. Здесь желательно наличие специализированного оборудования, например
регистров перемещения. Их значение прибавляется к каждому адресу, сгенерированному
процессом. Большинство современных ОС осуществляет трансляцию адресов на этапе
выполнения, используя для этого специальный аппаратный механизм (см. лекцию 9).
Функции системы управления памятью
Чтобы обеспечить эффективный контроль использования памяти, ОС должна
выполнять следующие функции:

отображение адресного пространства процесса на конкретные области
физической памяти;

распределение памяти между конкурирующими процессами;

контроль доступа к адресным пространствам процессов;

выгрузка процессов (целиком или частично) во внешнюю память, когда в
оперативной памяти недостаточно места;

учет свободной и занятой памяти.
Лекция №6
Тема: Архитектура микропроцессорных систем. Базовая архитектура микропроцессорной
системы.
Цель: иметь представление об архитектуре микропроцессорных систем.
Задача управления системой возлагается на центральный процессор (ЦП), который
связан с памятью и системой ввода-вывода через каналы памяти и ввода-вывода
соответственно. ЦП считывает из памяти команды, которые образуют программу и
декодирует их. В соответствии с результатом декодирования команд он осуществляет
выборку данных из памяти портов ввода, обрабатывает их и пересылает обратно в память
или порты вывода. Существует также возможность ввода-вывода данных из памяти на
внешние устройства и обратно, минуя ЦП. Этот механизм называется прямым доступом к
памяти (ПДП).
С точки зрения пользователя при выборе микропроцессора целесообразно располагать
некоторыми
обобщенными
комплексными
характеристиками
возможностей
микропроцессора. Разработчик нуждается в уяснении и понимании лишь тех компонентов
микропроцессора, которые явно отражаются в программах и должны быть учтены при
разработке схем и программ функционирования системы. Такие характеристики
определяются понятием архитектуры микропроцессора.
Понятие архитектуры микропроцессора
Архитектура типичной небольшой вычислительной системы на основе микроЭВМ
показана на рис. 1. Такая микроЭВМ содержит все 5 основных блоков цифровой машины:
устройство ввода информации, управляющее устройство (УУ), арифметико-логическое
устройство (АЛУ) (входящие в состав микропроцессора), запоминающие устройства (ЗУ) и
устройство вывода информации.
Рис. 1. Архитектура типового микропроцессора.
Микропроцессор координирует работу всех устройств цифровой системы с помощью
шины управления (ШУ). Помимо ШУ имеется 16-разрядная адресная шина (ША), которая
служит для выбора определенной ячейки памяти, порта ввода или порта вывода. По 8разрядной информационной шине или шине данных (ШД) осуществляется двунаправленная
пересылка данных к микропроцессору и от микропроцессора. Важно отметить, что МП
может посылать информацию в память микроЭВМ или к одному из портов вывода, а также
получать информацию из памяти или от одного из портов ввода.
Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в микроЭВМ содержит некоторую
программу (на практике программу инициализации ЭВМ). Программы могут быть
загружены в запоминающее устройство с произвольной выборкой (ЗУПВ) и из внешнего
запоминающего устройства (ВЗУ). Это программы пользователя.
В качестве примера, иллюстрирующего работу микроЭВМ, рассмотрим процедуру,
для реализации которой нужно выполнить следующую последовательность элементарных
операций:
1. Нажать клавишу с буквой "А" на клавиатуре.
2. Поместить букву "А" в память микроЭВМ.
3. Вывести букву "А" на экран дисплея.
Это типичная процедура ввода-запоминания-вывода, рассмотрение которой дает
возможность пояснить принципы использования некоторых устройств, входящих в
микроЭВМ.
На рис. 2 приведена подробная диаграмма выполнения процедуры вводазапоминания-вывода. Обратите внимание, что команды уже загружены в первые шесть ячеек
памяти. Хранимая программа содержит следующую цепочку команд:
1. Ввести данные из порта ввода 1.
2. Запомнить данные в ячейке памяти 200.
3. Переслать данные в порт вывода 10.
В данной программе всего три команды, хотя на рис. 2 может показаться, что в памяти
программ записано шесть команд. Это связано с тем, что команда обычно разбивается на
части. Первая часть команды 1 в приведенной выше программе - команда ввода данных. Во
второй части команды 1 указывается, откуда нужно ввести данные (из порта 1). Первая часть
команды, предписывающая конкретное действие, называется кодом операции (КОП), а
вторая часть - операндом. Код операции и операнд размещаются в отдельных ячейках памяти
программ. На рис. 2 КОП хранится в ячейке 100, а код операнда - в ячейке 101 (порт 1);
последний указывает откуда нужно взять информацию.
В МП на рис. 2 выделены еще два новых блока - регистры: аккумулятор и регистр
команд.
Рис. 2. Диаграмма выполнения процедуры ввода-запоминания-вывода
Рассмотрим прохождение команд и данных внутри микроЭВМ с помощью
занумерованных кружков на диаграмме. Напомним, что микропроцессор - это центральный
узел, управляющий перемещением всех данных и выполнением операций.
Итак, при выполнении типичной процедуры ввода-запоминания-вывода в микроЭВМ
происходит следующая последовательность действий:
1. МП выдает адрес 100 на шину адреса. По шине управления поступает сигнал,
устанавливающий память программ (конкретную микросхему) в режим считывания.
2. ЗУ программ пересылает первую команду ("Ввести данные") по шине данных, и
МП получает это закодированное сообщение. Команда помещается в регистр команд. МП
декодирует (интерпретирует) полученную команду и определяет, что для команды нужен
операнд.
3. МП выдает адрес 101 на ША; ШУ используется для перевода памяти программ в
режим считывания.
4. Из памяти программ на ШД пересылается операнд "Из порта 1". Этот операнд
находится в программной памяти в ячейке 101. Код операнда (содержащий адрес порта 1)
передается по ШД к МП и направляется в регистр команд. МП теперь декодирует полную
команду ("Ввести данные из порта 1").
5. МП, используя ША и ШУ, связывающие его с устройством ввода, открывает порт
1. Цифровой код буквы "А" передается в аккумулятор внутри МП и запоминается.Важно
отметить, что при обработке каждой программной команды МП действует согласно
микропроцедуре выборки-декодирования-исполнения.
6. МП обращается к ячейке 102 по ША. ШУ используется для перевода памяти
программ в режим считывания.
7. Код команды "Запомнить данные" подается на ШД и пересылается в МП, где
помещается в регистр команд.
8. МП дешифрирует эту команду и определяет, что для нее нужен операнд. МП
обращается к ячейке памяти 103 и приводит в активное состояние вход считывания
микросхем памяти программ.
9. Из памяти программ на ШД пересылается код сообщения "В ячейке памяти 200".
МП воспринимает этот операнд и помещает его в регистр команд. Полная команда
"Запомнить данные в ячейке памяти 200" выбрана из памяти программ и декодирована.
10. Теперь начинается процесс выполнения команды. МП пересылает адрес 200 на
ША и активизирует вход записи, относящийся к памяти данных.
11. МП направляет хранящуюся в аккумуляторе информацию в память данных. Код
буквы "А" передается по ШД и записывается в ячейку 200 этой памяти. Выполнена вторая
команда. Процесс запоминания не разрушает содержимого аккумулятора. В нем попрежнему находится код буквы "А".
12. МП обращается к ячейке памяти 104 для выбора очередной команды и переводит
память программ в режим считывания.
13. Код команды вывода данных пересылается по ШД к МП, который помещает ее в
регистр команд, дешифрирует и определяет, что нужен операнд.
14. МП выдает адрес 105 на ША и устанавливает память программ в режим
считывания.
15. Из памяти программ по ШД к МП поступает код операнда "В порт 10", который
далее помещается в регистр команд.
16. МП дешифрирует полную команду "Вывести данные в порт 10". С помощью ША
и ШУ, связывающих его с устройством вывода, МП открывает порт 10, пересылает код
буквы "А" (все еще находящийся в аккумуляторе) по ШД. Буква "А" выводится через порт 10
на экран дисплея.
В большинстве микропроцессорных систем (МПС) передача информации
осуществляется способом, аналогичным рассмотренному выше. Наиболее существенные
различия возможны в блоках ввода и вывода информации.
Подчеркнем еще раз, что именно микропроцессор является ядром системы и
осуществляет управление всеми операциями. Его работа представляет последовательную
реализацию микропроцедур выборки-дешифрации-исполнения. Однако фактическая
последовательность операций в МПС определяется командами, записанными в памяти
программ.
Таким образом, в МПС микропроцессор выполняет следующие функции:
- выборку команд программы из основной памяти;
- дешифрацию команд;
- выполнение арифметических, логических и других операций, закодированных в
командах;
- управление пересылкой информации между регистрами и основной памятью, между
устройствами ввода/вывода;
- отработку сигналов от устройств ввода/вывода, в том числе реализацию прерываний
с этих устройств;
- управление и координацию работы основных узлов МП.
Существует несколько подходов к классификации микропроцессоров по типу
архитектуры. Так, выделяют МП с CISC (Complete Instruction Set Computer) архитектурой,
характеризуемой полным набором команд, и RISC (Reduce Instruction Set Computer)
архитектурой, которая определяет систему с сокращенным набором команд одинакового
формата, выполняемых за один такт МП.
Определяя в качестве основной характеристики МП разрядность, выделяют
следующие типы МП архитектуры:
- с фиксированной разрядностью и списком команд (однокристальные);
- с наращиваемой разрядностью (секционные) и микропрограммным управлением.
Анализируя адресные пространства программ и данных, определяют МП с
архитектурой фон Неймана (память программ и память данных находятся в едином
пространстве и нет никаких признаков, указывающих на тип информации в ячейке памяти) и
МП с архитектурой Гарвардской лаборатории (память программ и память данных разделены,
имеют свои адресные пространства и способы доступа к ним).
Лекция №7
Тема: Процессорный модуль (ЦП, графический процессор). Выполнение
операций.
Цель: знать о видах и характеристиках процессоров
основных
Процессор – отвечает за обработку данных и выполняет вычисления. Т.к. процессор в
компьютере не один, то правильней будет его называть центральный процессор (ЦП) или
CPU. Кроме ЦП есть графический процессор – GPU.
Разработчики процессоров прогнозируют, что в скором будущем GPU будет
интегрирован в процессор.
Такой процессор называют гибридным. AMD уже разработал один гибрид под
названием Llano. Само AMD называет свою разработку APU (Application Processor Unit –
процессор для приложений).
AMD, Intel
Производитель
Phenom II, Athlon II, Core
Модель
i5, Core i7, Core2 DUO
3.4GHz, 3,2Ghz, 3.0Ггц
Тактовая частота
4000 Mhz, 3200 МГц
Системная шина (FSB)
L2:4x512Kb L3:6Mb, 4Mb
Кеш-память
АM2, АM3, socket1156,
Сокет
socket1366
45nm, 32nm
Технологический
процесс
125W, 73W
Термопакет (TDP)
Box, Tray
С кулером или без
Характеристики процессора
Производители. На данный момент это Intel и AMD. Процессор какой фирмы
выбрать читайте в статье.
Модель (линейка): Для Intel: Pentium, Core2 Quad, Core2 Duo. Для AMD: Athlon 64
X2, Athlon 64 X3, Phenom.
Имя позволяет определить к какой серии относится процессор: для настольных ПК,
для серверов или для мобильных устройств.
Частота процессора- это количество элементарных операций, которые процессор
может выполнить в течение секунды. Для ЦПУ значение измеряются в гигагерцах (ГГц). Это
частота влияет на производительность и быстроту вашего компьютера. Но
производительность не зависит только от частоты!
Не стоит путать рейтинг с частотой у процессоров компании AMD. Частота
отмечается как сравнительная, с добавлением знака «+» (к примеру: 3000+). Но физическая
частота всегда ниже указанного рейтинга. Об этом подробней в статье.
Системная шина (FSB) – канал по которому процессор соединен с другими
устройствами компьютера.
Кеш-память — это быстродействующая память, которая хранит информацию из
оперативной памяти, для более быстрого доступа к ней.
Различают кэши 1-, 2- и 3-го уровней (маркируются L1, L2 и L3).
Сокет – разъём, в который помещается процессор. Материнская плата должна
поддерживать точно такой сокет, какой будет у процессора.
Разрядность. Когда говорят о разрядности процессора х64, это значит, что он имеет
64-разрядную шину данных, и 64 бита он обрабатывает за один такт.
Количество ядер: На данный момент в продаже имеются одно-, двух-, четырёх- и
шестиядерные процессоры.
Процессоры Box и Tray. Box подразумевает, что вместе с процессором, вы
приобретаете и кулер к нему. Tray – вы покупаете только процессор, кулер докупаете
самостоятельно.
В современном компьютере может быть один или несколько Центральных
процессоров и Графический процессор. Центральный процессор (ЦП) является наиболее
распространённым термином. Зачастую под термином процессор подразумевается именно
Центральный процессор. В англоязычной литературе для обозначения центрального
процессора используются термины CPU или Central Processing Unit, что дословно можно
перевести как основное вычислительное устройство. Вычислительная система, в которой
работает несколько центральных процессоров и единое адресное пространство, называется
многопроцессорной.
В отношении Графического процессора (ГП) в англоязычной литературе
используется термин Graphics Proccesing Unit (англ.: GPU). Графический процессор
выполняет специфические функции по обработке графической информации. Он обычно
монтируется на видеокарте или материнской плате. Как правило, в литературе центральный
и графический процессоры обозначают сокращённо термином процессор, однако из
контекста документа ясно о каком конкретном виде процессора идёт речь.
Физический процессор (англ.: Physics Processing Unit, PPU) – специализированный
процессор, предназначен для выполнения математических вычислений при моделировании
различных физических процессов, таких как расчёт динамики тел, обнаружение
столкновений и пр.
Цифровой сигнальный процессор (сигнальный микропроцессор, СМП; процессор
цифровых сигналов, ПЦС) — специализированный микропроцессор, предназначенный для
цифровой обработки сигналов (обычно в реальном масштабе времени). Данное понятие в
англоязычной литературе обозначается термином Digital signal processor (DSP).
Сетевой процессор (англ.: network processor) – это микропроцессор, размещаемый в
сетевых устройствах, выполняющий специализированные операции, которые востребованы
при передаче данных по сетям. Как правило, сетевой процессор размещается в сетевом
устройстве: сетевых платах, маршрутизаторах, коммутаторах и пр.
В различных современных музыкальных системах применяются Звуковые сигнальные
процессоры (ЗСК) или просто Звуковые процессоры (ЗП), которые обрабатывают звуки и
музыку, например, создают эффект эха. В англоязычной литературе для обозначения таких
устройств применяют термин Audio signal processor или audio processor. Следует особенно
отметить, что существует близкий термин – микросхема звукогенератора или
программируемый генератор звука (ПГЗ), которому в английском языке соответствует
термин sound chip. Данные устройства не всегда можно называть процессорами, хотя такая
практика и распространена.

Буферный
процессор
[front-end
processor]
Процессор
или
специализированная микроЭВМ, реализующие промежуточную обработку данных,
которыми обмениваются центральный процессор или центральная ЭВМ с устройствами
ввода-вывода .

Препроцессор
[preprocessor]
1.
Программа,
выполняющая
предварительную обработку данных для другой программы; 2. То же, что буферный
процессор (см. выше).

CISC (Complex Instruction Set Computing) - " Вычислитель со сложным
набором команд” - Технология и архитектура построения микропроцессоров фирмы Intel
(см. ниже также RISC).

RISC (Redused Instruction-Set Computer) - " Вычислитель с сокращенным
набором команд” - Технология и архитектура построения микропроцессоров,
альтернативная технологии CISC . Принцип построения RISC- процессоров основан на
применении набора простых команд и "на их основе сборки” требуемых более сложных
команд. Это позволяет сделать микропроцессоры более компактными и производительными,
а также менее энергоемкими и дорогими. Другое преимущество технологии RISC
заключается в принципиальной возможности обеспечения совместимости ПЭВМ типа IBM
PC и Macintosh фирмы Apple . Работы, направленные на реализацию указанной
возможности, ведутся с 1992 г. фирмами Apple, IBM и Motorola в рамках проекта
PowerPCTM . В 1994 г . фирмой Apple была выпущена первая ПЭВМ "Power Macintosh” с
МП PowerPC (Performance Optimized With Enhanced RISC Perconal Computer).
Последний из выпускаемых МП этого вида - 132-х Мгц PowerPC 604 является самым
"быстрым” или производительным и в указанном плане составляет конкуренцию МП
Pentium, а возможно и Pentium Pro . Однако полной совместимости с МП ряда Intel он,
также как и другие модели PowerPC пока не обеспечивает (для согласования этих систем
используется программный транслятор, преобразующий команды х86 в команды PowerPC,
который обеспечивает возможность поддержки ограниченного числа применяемых IBM PC
программных продуктов). Сказанное сдерживает массовое применение МП PowerPC. Тем не
менее объем продаж МП PowerPC в течение одного года с момента выпуска первой ПЭВМ
"Power Macintosh” составил более одного млн. машин [47]. Подробнее о последних
разработках Power Mac см [305]. Фирмы Intel и Hewlett-Packard ведут разработку
следующего за Pentium Pro поколения микропроцессоров, которые будут построены по
гибридной технологии, объединяющей признаки CISC и RISC архитектуры (см. ниже).

Процессор-клон , клон [cloneprocessor, clone] - Процессор, выпускаемый
другой фирмой - не его основным разработчиком и производителем, в том числе по лицензии
или без нее. Наибольшее распространение на мировом рынке средств вычислительной
техники получили клоны микропроцессоров моделей ряда х386, х486, Pentium,…,P entium
III и т.д., выпускаемые другими фирмами - не Intel . Как правило, клоны представляют собой
собственную разработку выпускающих их фирм. При этом они могут быть как полностью,
так и только частично совместимы с оригинальной продукцией фирмы Intel, иметь отличные
от них характеристики и даже успешно конкурировать с ними. Так, например, 29 ноября
1999 г. фирма AMD выпустила и произвела презентацию микропроцессора Athlon 750
(МГц), впервые в мире произведенного по т.н. "аллюминиевой” 0,18 мкм технологии и
превысившего по производительности микропроцессор Intel Pentium III 733 МГц. В марте
2000 г. фирма AMD выпустила на мировой рынок первую партию микропроцессоров с
тактовой частотой в 1 ГГц, а в октябре этого же года – процессор Athion 1,2 ГГц и Duron 800
ГГц. Наиболее известными фирмами-производителями клонов являются: AMD, Cyrix, IBM
Microelectronics, SGS-Thomson, Texas Instruments, NexGen и др.
Лекция №8
Тема: Функционирование основных подсистем. Прерывания.
Цель:
Лекция №9
Тема: Базовая система ввода/вывода.
Цель: знакомство с системой BIOS
BIOS - Базовая система ввода-вывода (Basic Input Output System) называется так
потому, что включает в себя обширный набор программ ввода-вывода, благодаря которым
операционная система и прикладные программы могут взаимодействовать с различными
устройствами как самого компьютера, так и подключенными к нему.
Вообще говоря, в PC система BIOS занимает особое место. С одной стороны, ее
можно рассматривать как составную часть аппаратных средств. С другой стороны, она
является как бы одним из программных модулей операционной системы. Сам термин BIOS,
видимо, заимствован из операционной системы CP/M, в которой модуль с подобным
названием был реализован программно и выполнял примерно подобные действия.
Большинство современных видеоадаптеров, а также контроллеры накопителей имеют
собственную систему BIOS, которая обычно дополняет системную. Во многих случаях
программы, входящие в конкретную BIOS, заменяют соответствующие програмные модули
основной BIOS. Вызов программ BIOS, как правило, осуществляется через программные или
аппаратные прерывния.
Заметим, что система BIOS помимо программ взаимодействия с аппаратными
средствами на физическом уровне содержит программу тестирования при включении
питания компьютера POST (Power-On-Self-Test, Самотестирование при включении питания
компьютера). Тестируются основные компоненты, такие как процессор, память,
вспомогательные микросхемы, приводы дисков, клавиатура и видеоподсистема. Если при
включении питания компьютера возникают проблемы (BIOS не может выполнить начальный
тест), вы услышите последовательность звуковых сигналов:
Код сигнала Значение
1
Ошибка регенерации DRAM
2
Отказ схемы четности
3
Отказ базового ОЗУ 64 Кб
4
Отказ системного таймера
5
Отказ процессора
6
Ошибка адресной линии A20 контроллера клавиатуры
7
Ошибка исключения виртуального режима Virtual Mode Exception
8
Ошибка теста чтения, записи памяти дисплея
9
Ошибка контрольной суммы ROM-BIOS
Если вы сталкиваетесь с чем-либо подобным, существует высокая вероятность того,
что эта проблема связана с аппаратными средствами. Система BIOS в PC реализована в виде
одной микросхемы, установленной на материнской плате компьютера. Заметим, что
название ROM BIOS в настоящее время не совсем справедливо, ибо <ROM> - предполагает
использование постоянных запоминающих устройств (ROM - Read Only Memory), а для
хранения кодов BIOS в настоящее время применяются в основном перепрограммируемые
(стираемые электрически или с помощью ультрафиолетового излучения) запоминающие
устройства.
Мало того, наиболее перспективным для хранения системы BIOS является сейчас
флэш-память. Это позволяет легко модифицировать старые или добавлять дополнительные
функции для поддержки новых устройств, подключаемых к компьютеру.
Поскольку содержимое ROM BIOS фирмы IBM было защищено авторским правом,
то есть его нельзя подвергать копированию, то большинство других производителей
компьютеров вынуждены были использовать микросхемы BIOS независимых фирм, системы
BIOS которых, разумеется, были практически полностью совместимы с оригиналом.
Наиболее известные из этих фирм три: American Megatrends Inc. (AMI), Award
Software и Phoenix Technologies. Заметим, что конкретные версии BIOS неразрывно связаны
с набором микросхем (chipset), используемым на системной плате. Кстати, компания Phoenix
Technologies считается пионером в производстве лицензионно-чистых BIOS. Именно в них
впервые были реализованы такие функции, как задание типа жесткого диска, поддержка
привода флоппи-дисков емкостью 1,44 Мбайта и т.д.
Более того, считается, что процедура POST этих BIOS имеет самую мощную
диагностику. Справедливости ради надо отметить, что BIOS компании AMI наиболее
распространены. По некоторым данным, AMI занимает около 60% этого сегмента рынка.
Кроме того, из программы Setup AMI BIOS можно вызвать несколько утилит для
тестирования основных компонентов системы и работы с накопителями. Однако при их
использовании особое внимание следует обратить на тип интерфейса, который использует
привод накопителя.
Система BIOS в компьютерах, неразрывно связана с SMOS RAM. Под этим
понимается <неизменяемая> память, в которой хранится информация о текущих показаниях
часов, значении времени для будильника, конфигурации компьютера: количестве памяти,
типах накопителей и т.д. Именно в этой информации нуждаются программные модули
системы BIOS.
Своим названием SMOS RAM обязана тому, что эта память выполнена на основе
КМОП-структур (CMOS-Complementary Metal Oxide Semiconductor), которые, как известно,
отличаются малым энергопотреблением. Заметим, что CMOS-память энергонезависима
только постольку, поскольку постоянно подпитывается, например, от аккумулятора,
расположенного на системной плате, или от батареи гальванических элементов, как правило,
смонтированной на корпусе системного блока. Заметим, что большинство системных плат
допускают питание CMOS RAM как от встроенного, так и от внешнего источника.
Заметим, что в случае повреждения микросхемы CMOS RAM (или разряде батареи
или аккумулятора) программа Setup имеет возможность воспользоваться некой информацией
по умолчанию (BIOS Setup Default Values), которая хранится в таблице соответствующей
микросхемы ROM BIOS. Кстати, на некоторых материнских платах питание микросхемы
CMOS RAM может осуществляться как от внутреннего, так и от внешнего источника. Выбор
определяется установкой соответствующей перемычки.
Программа Setup поддерживает установку нескольких режимов энергосбережения,
например Doze (дремлющий), Standby (ожидания, или резервный) и Suspend (приостановки
работы). Данные режимы перечислены в порядке возрастания экономии электроэнергии.
Система может переходить в конкретный режим работы по истечении определенного
времени, указанного в Setup. Кроме того, BIOS обычно поддерживает и спецификацию АРМ
(Advanced Power Management).
Как известно, впервые ее предложили фирмы Microsoft и Intel. В их совместном
документе содержались основные принципы разработки технологии управления
потребляемой портативным компьютером мощностью.
Напомним, что задание полной конфигурации компьютера осуществляется не только
установками из программы Setup, но и замыканием (или размыканием) соответствующих
перемычек на системной плате. Назначение каждой из них указано в соответствующей
документации.
Настройка CMOS.
Изменение установок в CMOS через программу SETUP. Чаще всего SETUP может
быть вызван нажатием специальной комбинации клавиш (DEL, ESC, CTRL-ESC, или CRTLALT-ESC) во время начальной загрузки (некоторые BIOS позволяют запускать SETUP в
любое время, нажимая CTRL-ALT-ESC). В AMI BIOS, чаще всего, это осуществляется
нажатием клавиши DEL (и удержанием ее) после нажатия кнопки RESET или включения
ЭВМ.
STANDARD CMOS SETUP.
Стандартные предустановки CMOS:
Date (mn/date/year) - для изменения даты в системных часах.
Time (hour/min/sec) - для изменения времени в системных часах.
Hard disk C: (Жесткий Диск C:) - Номер вашего первичного (главного) жесткого
диска.
Cyln - Число цилиндров на вашем жестком диске.
Head - число головок. Wpcom - предкомпенсация при записи.
Lzone - адрес зоны парковки головок.
Sect - Число секторов на дорожку.
Size - объем диска. Автоматически вычисляется согласно числу цилиндров, головок и
секторов. Выражается в мегабайтах.
Floppy drive A (дисковод для дискет A) - устанавливается тип дисковода для дискет,
который будет использоваться в качестве привода A.
Floppy drive B (тип дисковода B) - аналогично предыдущему.
Primary display (Первичный дисплей) - Тип стандарта отображения, который вы
используете.
Keyboard (Клавиатура): Installed-установлена. Если изменить на "not installed", эта
опция укажет BIOS на отмену проверки клавиатуры во время стартового теста, что позволяет
перезапускать PC с отключенной клавиатурой (файл-серверы и т.п.) без выдачи сообщения
об ошибке теста клавиатуры.
3.
ПРАКТИЧЕСКИЕ И ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
Тема: Происхождение персональных компьютеров.
Персональный компьютер (ПК) стал воплощением множества открытий и изобретений.
Прежде чем обсуждать его устройство и возможности, скажем несколько слов об основных
этапах развития компьютерной технологии.
Первые компьютеры были очень похожи на простейшие калькуляторы. Они прошли путь
от простых механических до сложных цифровых электронных устройств.
Механические калькуляторы
Одним из самых первых вычислительных устройств является абак, используемый
уже более 2000 лет. Абак представляет собой деревянную раму, содержащую ряд
параллельных прутьев с камешками или костяшками. Существует ряд правил, согласно
которым костяшки перемещаются в правую или левую сторону абака, что позволяет
выполнять различные арифметические операции. (Бухгалтерские счеты, например,
являются дальним родственником абака.)
Первая европейская машина была создана Непером (создателем логарифмов) в
начале XVII века. Она могла выполнять операцию умножения двух чисел.
В 1642 году Блез Паскаль создал прообраз цифровой вычислительной машины, позволяющей проводить операции сложения чисел. Машина предназначалась отцу Паскаля,
который работал сборщиком налогов. Позднее, в 1671 году, Готфрид Вильгельм фон
Лейбниц разработал вычислительную машину, построив ее только в 1694 году. Она
позволяла выполнять операции сложения и умножения чисел.
Первый коммерческий механический калькулятор был создан Чарльзом Ксавьером
Томасом в 1820 году. Это была "совершенная" машина — она выполняла операции
сложения, вычитания, умножения и деления.
Первый механический компьютер
Отцом этого компьютера можно по праву назвать Чарльза Бэббиджа, профессора
математики Кембриджского университета. Эта машина, созданная в 1812 году, могла решать
полиномиальные уравнения различными методами. Создав в 1822 году небольшую рабочую
модель своего компьютера и продемонстрировав ее Британскому правительству, Бэббидж
получил средства на дальнейшее развитие своей системы. Новая машина была создана в
1823 году. Она была паровой, полностью автоматической и даже распечатывала результаты
в виде таблицы.
Работа над этим проектом продолжалась еще 10 лет, и в 1833 году был создан первый
"многоцелевой" компьютер, названный аналитической машиной. Она могла оперировать
числами с 50 десятичными знаками и сохраняла до 1 000 чисел. Впервые в этой машине
было реализовано условное выполнение операций — прообраз современного оператора IF.
Аналитическая
машина
Бэббиджа
на
полном
основании
считается
предшественником современного компьютера, так как содержит в себе все ключевые
элементы, из которых состоит компьютер.
■ Устройство ввода данных. В машине Бэббиджа был применен принцип ввода
данных с помощью перфокарт, когда-то используемый в ткацких станках на текстильных
фабриках.
■ Блок управления. Для управления или программирования вычислительного
устройства использовался барабан, содержащий множество пластин и штифтов.
■ Процессор (или вычислительное устройство). Вычислительная машина высотой
около 10 футов, содержащая в себе сотни осей и несколько тысяч шестеренок.
■ Запоминающее устройство. Блок, содержащий еще больше осей и шестеренок,
позволяющий хранить в памяти до тысячи 50-разрядных чисел.
■ Устройство вывода. Пластины, связанные с соответствующей печатной
машиной, использовались для печати полученных результатов.
К сожалению, из-за недостаточной точности механической обработки шестеренок
и механизмов первый потенциальный компьютер так и не был полностью построен.
Технологический уровень производства того времени был слишком низок.
Интересно, что идея использования перфорационных карт, впервые
предложенная Бэббиджем, воплотилась только в 1890 году. В том году проводился конкурс
на лучший метод табулирования материалов переписи США, победителем которого стал
служащий бюро переписи Герман Холлерит (Herman Hollerith), предложивший идею
перфокарт. Для ручной обработки данных переписи служащим бюро потребовались бы
целые годы. Использование же перфорационных карт позволило уменьшить время
табулирования примерно до шести недель. Впоследствии Холлерит основал компанию
Tabulating Machine Company, которая многие годы спустя стала известна как IBM.
Одновременно с другими фирмами IBM разработала целую серию улучшенных
счетно-перфорационных
систем,
содержавших
огромное
количество
электромеханических реле и микродвигателей. Системы позволяли автоматически
устанавливать определенное количество перфокарт в положение "считывание",
выполнять операции сложения, умножения и сортировки данных, а также выводить
результаты вычислений на перфорационных картах. Такие счетно-аналитические
машины позволяли обрабатывать от 50 до 250 перфокарт в минуту, каждая из которых
могла содержать 80-разрядные числа. Перфорационные карты служили не только
средством ввода и вывода, но и хранилищем данных. На протяжении более чем 50 лет
счетно-перфорационные машины использовались для самых разных математических
вычислений и стали основой зарождения многих компьютерных компаний.
Электронные компьютеры
Физик Джон В. Атанасов вместе с Клиффордом Берри (Clifford Berry) с 1937 по 1942
год работали в университете штата Айова над созданием первой цифровой электрон новычислительной машины. Компьютер Атанасова-Берри (названный впоследствии ABC —
Atanasoff-Berry Computer) стал первой системой, в которой были использованы современные
цифровые коммутационные технологии и вакуумные лампы, а также концепции
двоичной арифметики и логических схем. После долгого судебного разбирательства
федеральный судья США Эрл Р. Ларсон (Earl R. Larson) аннулировал 19 октября 1973 года
патент, ранее выданный Эккерту (Eckert) и Мошли (Mauchly), официально признав
Атанасова изобретателем первого электронного цифрового компьютера.
Использование вычислительной техники во время второй мировой войны
послужило серьезным толчком для развития компьютеров. В 1943 году англичанин Алан
Тьюринг завершил работу над созданием военного компьютера "Колосс", используемого
для расшифровки перехваченных немецких сообщений. К сожалению, работа Тьюринга
не была оценена по достоинству, так как конструкция "Колосса" в течение еще многих
лет после окончания войны хранилась в секрете.
Помимо расшифровки неприятельских кодов, постепенно возникла потребность в
выполнении баллистических расчетов и решении других военных задач. В 1946 году Джон
П. Еккерт (John P. Eckert) и Джон В. Мошли (John W. Mauchly) вместе с сотрудниками
школы электротехники Мура университета штата Пенсильвания создали первую
комплексную электронно-вычислительную машину для военных целей. Эта система
получила название ENIAC (Electrical Numerical Integrator and Calculator). Она работала с
десятизначными числами и выполняла операции умножения со скоростью около 300
произведений в секунду, находя значения каждого произведения в таблице умножения,
хранящейся в оперативной памяти. Эта система работала примерно в 1 000 раз быстрее,
чем электромеханические релейные вычислительные машины предыдущего поколения.
В компьютере ENIAC было около 18 тыс. вакуумных ламп; он занимал полезную
площадь, равную 1 800 квадратным футам (что составляет примерно 167 квадратных метров)
и потреблял приблизительно 180 тыс. ватт. Для ввода и вывода данных использовались
перфорационные карты, регистры выполняли роль сумматоров, а также предоставляли
доступ вида чтение/запись к хранилищу данных.
Выполняемые команды, составляющие ту или иную программу, создавались с
помощью определенной монтажной схемы и переключателей, которые управляли ходом
вычислений. По существу, для каждой выполняемой программы приходилось изменять
монтажную схему и расположение переключателей.
Патент на электронно-вычислительную машину был первоначально выдан
Эккерту и Мошли. Но впоследствии, как вы уже знаете, этот патент был аннулирован и
предоставлен Джону Атанасову, создавшему компьютер Атанасова-Берри (АВС).
Немногим ранее, в 1945 году, математик Джон фон Нейман (John von Neumann)
доказал, что компьютер представляет собой целостную физическую структуру и может
эффективно выполнять любые вычисления, с помощью соответствующего программного
управления без изменения аппаратной части. Другими словами, программы можно
изменять, не меняя аппаратного обеспечения. Этот принцип стал основным и
общепринятым правилом для будущих поколений быстродействующих цифровых
компьютеров.
Первое поколение современных программируемых электронно-вычислительных
машин, использующих описанные нововведения, появилось в 1947 году. В их число вошли
коммерческие компьютеры EDVAC и UNIVAC, в которых впервые использовалось
оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное для хранения данных и
модулей программы. Как правило, программирование выполнялось непосредственно на
машинном языке, несмотря на то что к середине 1950 годов наука программирования
сделала большой шаг вперед. Символом новой компьютерной эры стал UNIVAC (Universal
Automatic Computer), первый по-настоящему универсальный буквенно-цифровой
компьютер. Он применялся не только в научных или военных, но и в коммерческих
целях.
Современные компьютеры
После появления UNIVAC темпы эволюции компьютеров заметно ускорились. В
первом поколении компьютеров использовались вакуумные лампы, на смену которым
пришли меньшие по размерам и более эффективные транзисторы.
Рождение персонального компьютера
В 1973 году были разработаны первые микропроцессорные комплекты на основе
микропроцессора 8008. Правда, они годились разве что для демонстрации своих
возможностей и включения индикаторов. В конце 1973 года Intel выпустила микропроцессор
8080, быстродействие которого было в 10 раз выше, чем у 8008, и который мог адресовать
память объемом до 64 Кбайт. Это стало толчком к промышленному производству ПК.
В 1975 году фотография комплекта Altair компании MITS была помещена на обложку
январского номера журнала Popular Electronic. Этот комплект, который можно считать
первым ПК, состоял из процессора 8080, блока питания, лицевой панели с множеством
индикаторов и запоминающего устройства емкостью 256 байт (не килобайт!). Стоимость
комплекта составляла 395 долларов, и покупатель должен был сам собрать компьютер. Этот
ПК был построен по схеме с открытой шиной (разъемами), что позволяло другим
фирмам разрабатывать дополнительные платы и периферийное оборудование.
Появление нового процессора стимулировало разработку различного программного
обеспечения, включая операционную систему CP/M (Control Program for Microprocessors) и
первый язык программирования BASIC (Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code)
компании Microsoft.
В 1975 году IBM впервые выпустила устройство, которое можно было бы назвать
персональным компьютером. Модель 5100 имела память емкостью 16 Кбайт, встроенный
дисплей на 16 строк по 64 символа, интерпретатор языка BASIC и кассетный накопитель DC300. Однако стоимость компьютера (9 000 долларов) для рядового покупателя оказалась
слишком высокой, особенно если учесть, что множество любителей (названных позже
хакерами) предлагали собственные комплекты всего за 500 долларов. Очевидно, что ПК
компании IBM не могли выдержать такой конкуренции на рынке и продавались очень плохо.
До появления известного сейчас IBM PC (модель 5150) были разработаны модели
5110 и 5120. Хотя эти компьютеры и предшествовали IBM PC, они не имели с ним ничего
общего. IBM PC был больше похож на выпущенную в 1980 году для применения в офисах
модель System/23 DataMaster.
В 1976 году новая компания Apple Computer вышла на рынок с компьютером Apple I
стоимостью 666 долларов. Его системная плата была привинчена к куску фанеры, а корпуса
и блока питания не было вообще. Было выпущено всего несколько экземпляров этого
компьютера, которые впоследствии продавались коллекционерам за 20 тыс. долларов. Но
появившийся в 1977 году компьютер Apple II стал прообразом большинства последующих
моделей, включая и IBM PC.
К 1980 году на рынке микрокомпьютеров доминировали две базовые модели
компьютерных систем. Это был Apple II, имевший множество преданных пользователей и
гигантское количество программ, и несколько других моделей, происходивших от комплекта
Altair. Эти компьютеры были совместимы один с другим, имели одну операционную систему
(CP/M) и стандартные разъемы расширения с шиной S-100 (по 100 контактов на разъем). Все
они собирались различными компаниями и продавались под разными названиями. Но в
большинстве случаев ими использовались одинаковые программные и аппаратные части.
Интересно отметить, что ни один компьютер не был совместим ни с одним из двух
основных современных стандартов ПК — ни с IBM, ни с Mac.
Новый конкурент, появившийся на горизонте, дал возможность определить
факторы будущего успеха персонального компьютера: открытая архитектура, слоты
расширения, сборная конструкция, а также поддержка аппаратного и программного
обеспечения различных компаний. Конкурентом, как ни удивительно, оказался компьютер
компании IBM, до сих пор занимавшейся только мощными производственными
мэйнфреймами. Этот компьютер, по существу, напоминал раннюю версию Apple, в то
время как системы Apple приобретали черты, более подходящие для IBM. Открытая
архитектура IBM PC и закрытая архитектура компьютеров Macintosh произвели настоящий
переворот в компьютерной индустрии.
Персональный компьютер компании IBM
В конце 1980 года IBM наконец-то решила выйти на стремительно развивающийся
рынок дешевых ПК. Для разработки нового компьютера он а основала в городе
Бока-Ратон (шт. Флорида) свое отделение Entry Systems Division. Небольшую группу из 12
человек возглавил Дон Эстридж (Don Estridge), а главным конструктором был Льюис
Эггебрехт (Lewis Eggebrecht). Именно эта группа и разработала первый настоящий IBM PC.
(Модель 5100, разработанную в 1975 году, IBM считала интеллектуальным
программируемым терминалом, а не подлинным компьютером, хотя, в сущности, это был
настоящий компьютер.) Почти все инженеры группы ранее работали над проектом
компьютера System/23 DataMaster, поэтому он фактически оказался прообразом IBM PC.
Многое в конструкции IBM PC было заимствовано от DataMaster. Так, например, раскладка и электрическая схема клавиатуры были скопированы с DataMaster; правда, в IBM PC
дисплей и клавиатура были автономны, в отличие от DataMaster, где они объединялись в
одно устройство (что было неудобно).
Были заимствованы и некоторые другие компоненты, включая системную шину
(разъемы ввода-вывода), причем использовались не только те же самые 62 -контактные
разъемы, но и разводка контактов. В IBM PC применялись те же контроллеры прерываний и
прямого доступа к памяти, что и в DataMaster. При этом платы расширения, разработанные
для DataMaster, можно было использовать и в IBM PC.
Однако в DataMaster применялся процессор 8085 компании Intel, который мог
адресовать всего 64 Кбайт памяти и имел 8-разрядные внутреннюю и внешнюю шины
данных. Из-за этих ограничений в IBM PC использовался процессор 8088, который имел
адресное пространство 1 Мбайт, 16-разрядную внутреннюю шину данных, но внешняя шина
данных была 8-разрядной. Благодаря 8-разрядной внешней шине данных и аналогичной
системе команд можно было использовать устройства, разработанные ранее для DataMaster.
Компания IBM создала компьютер менее чем за год, максимально внедрив в него
имевшиеся разработки и компоненты других производителей. Группе Entry Systems Division
была предоставлена большая независимость, чем другим подразделениям: им было
разрешено использовать услуги и продукцию других фирм в обход бюрократического
правила, предписывающего использовать в разработках только изделия IBM. Например,
языки программирования и операционную систему для IBM PC разрабатывала Microsoft.
Тема: Компоненты PC, его возможности и проектирование систем.
Цель:
В конце 1980 года IBM наконец-то решила выйти на стремительно развивающийся
рынок дешевых ПК. Для разработки нового компьютера она основала в городе Бока-Ратон
(шт. Флорида) свое отделение Entry Systems Division. Небольшую группу из 12 человек возглавил Дон Эстридж (Don Estridge), а главным конструктором был Льюис Эггебрехт (Lewis
Eggebrecht). Именно эта группа и разработала первый настоящий IBM PC. (Модель 5100,
разработанную в 1975 году, IBM считала интеллектуальным программируемым терминалом,
а не подлинным компьютером, хотя, в сущности, это был настоящий компьютер.) Почти все
инженеры группы ранее работали над проектом компьютера System/23 DataMaster, поэтому
он фактически оказался прообразом IBM PC.
Многое в конструкции IBM PC было заимствовано от DataMaster. Так, например, раскладка и электрическая схема клавиатуры были скопированы с DataMaster; правда, в IBM PC
дисплей и клавиатура были автономны, в отличие от DataMaster, где они объединялись в одно устройство (что было неудобно).
Были заимствованы и некоторые другие компоненты, включая системную шину
(разъемы ввода-вывода), причем использовались не только те же самые 62-контактные
разъемы, но и разводка контактов. В IBM PC применялись те же контроллеры прерываний и
прямого доступа к памяти, что и в DataMaster. При этом платы расширения, разработанные
для DataMaster, можно было использовать и в IBM PC.
Однако в DataMaster применялся процессор 8085 компании Intel, который мог
адресовать всего 64 Кбайт памяти и имел 8-разрядные внутреннюю и внешнюю шины
данных. Из-за этих ограничений в IBM PC использовался процессор 8088, который имел
адресное пространство 1 Мбайт, 16-разрядную внутреннюю шину данных, но внешняя шина
данных была 8-разрядной. Благодаря 8-разрядной внешней шине данных и аналогичной
системе команд можно было использовать устройства, разработанные ранее для DataMaster.
Компания IBM создала компьютер менее чем за год, максимально внедрив в него
имевшиеся разработки и компоненты других производителей. Группе Entry Systems Division
была предоставлена большая независимость, чем другим подразделениям: им было
разрешено использовать услуги и продукцию других фирм в обход бюрократического
правила, предписывающего использовать в разработках только изделия IBM. Например,
языки программирования и операционную систему для IBM PC разрабатывала Microsoft.
Замечание
Интересно, что IBM сначала обратилась к Digital Research, создателю операционной
системы СР/М, но те не заинтересовались этим предложением. Тогда за дело взялась
Microsoft, которая позднее превратилась в крупнейшую в мире компанию ~ изготовителя
программных продуктов. IBM фактически предложила им сотрудничать и поддержать
новый компьютер.
С рождением IBM PC 12 августа 1981 года в мире микрокомпьютерной индустрии
появился новый стандарт. С тех пор были проданы сотни миллионов PC-совместимых
компьютеров, а на его основе выросло огромное семейство компьютеров и периферийных
устройств. Программного обеспечения для этого семейства создано больше, чем для любой
другой системы.
20 лет спустя
После появления первого IBM PC прошло много лет, и за это время, конечно, многое
изменилось. Например, IBM-совместимые компьютеры, ранее использовавшие процессор
8088 с тактовой частотой 4,77 МГц, теперь на основе процессора Pentium 4 работают с тактовой частотой 3 ГГц и выше, быстродействие современных систем выросло более чем в 20
000 (!)раз (имеется в виду общая производительность, а не только тактовая частота). Первый
IBM PC имел два односторонних накопителя на гибких дисках емкостью 160 Кбайт и
использовал операционную систему DOS 1.0, а современные компьютеры работают с жесткими дисками емкостью в 20 Гбайт и выше.
В компьютерной индустрии производительность процессора и емкость дисковых
накопителей удваиваются, как правило, каждые 2-3 года (этот закон носит имя одного из
основателей Intel Гордона Мура).
Следует отметить еще один важный момент: IBM перестала быть единственным
производителем PC-совместимых компьютеров. Конечно, IBM разработала и продолжает
разрабатывать стандарты, которым должны соответствовать совместимые компьютеры, но
она уже не является монополистом на рынке. Часто новые стандарты для ПК разрабатывают
другие компании.
Сегодня Intel разрабатывает большинство стандартов аппаратного обеспечения, а
Microsoft — программного. Именно из-за того, что продукты этих двух компаний
доминируют на рынке ПК, сами персональные компьютеры часто называют Wintel. Хотя
изначально компания AMD выпускала по лицензии процессоры Intel и затем представила
собственные процессоры (AMD 484, K5/K6), совместимые по контактам с процессорами
Pentium, начиная с семейства Athlon она перешла к созданию процессоров собственной
архитектуры, которые стали достойными конкурентами для Pentium II/III/4.
Последние несколько лет компании Intel, Microsoft и AMD принимают основное
участие в эволюции ПК. Разработка таких стандартов, как шины PCI и AGP, формфакторы
системных плат ATX и NLX, гнезда и разъемы процессоров, а также многие другие
нововведения ясно демонстрируют лидерство Intel в развитии персональных компьютеров.
Кроме того, Intel создает наборы микросхем, поддерживающие перечисленные выше
технологии и новые процессоры. Компания AMD также создает наборы микросхем для
собственных процессоров, однако эти наборы в основном служат другим разработчикам в
качестве эталона для реализации своих продуктов. Более того, системы с процессорами AMD
обеспечивают производительность, сопоставимую с основанными на продуктах Intel
компьютерами, причем за более низкую цену. Аналогичным образом компания Microsoft
является лидером на рынке программного обеспечения и постоянно развивает операционную
систему Windows, приложения Office и т.п. Как Intel, так и Microsoft формируют спрос на
Internet, мультимедиа и прочие современные технологии. Интерактивные компьютерные
игры, монтаж DVD-фильмов, широкополосный доступ к Internet и печать изображений с
фотографическим качеством — все эти возможности для многих становятся причиной
покупки нового ПК. Хотя продажи компьютеров резко упали по сравнению с серединой и
концом 1990 годов, пользователи по-прежнему приобретают новые системы для рабочих или
развлекательных нужд. Сотни компаний выпускают PC-совместимые компьютеры, известны
тысячи производителей электронных компонентов. Все это способствует как расширению
рынка, так и улучшению потребительских качеств PC-совместимых компьютеров.
PC-совместимые компьютеры столь широко распространены не только потому, что
совместимую аппаратуру легко собирать, но и потому, что операционные системы
поставляет не IBM, а другие компании, например Microsoft. Ядром программного
обеспечения компьютера является BIOS (Basic Input Output System), производимая
различными компаниями (например, Phoenix, AMI и др.). Многие производители
лицензируют программное обеспечение BIOS и операционные системы, предлагая свои
совместимые компьютеры. Вобрав в себя все лучшее, что было в системах CP/M и UNIX,
DOS стала доступной для большинства существовавших программных продуктов. Успех
Windows привел к тому, что разработчики программ все чаще стали создавать свои продукты
для PC-совместимых компьютеров.
Системы Macintosh компании Apple никогда не пользовались таким успехом, как РСсовместимые модели. Это связано с тем, что Apple сама распоряжается всем программным
обеспечением и не предоставляет его другим компаниям для использования в совместимых
компьютерах.
После нескольких лет постоянного снижения своей доли на рынке, компания Apple,
похоже, осознала, что отказ предоставить лицензию на свою операционную систему
сторонним компаниям был большой ошибкой. Поэтому начиная с середины 90-х годов
прошлого века Apple стала лицензировать программное обеспечение таким компаниям, как
Power Computing. Однако некоторое время спустя Apple снова аннулировала свои
лицензионные соглашения с рядом компаний. Поскольку Macintosh продолжает оставаться
компьютером с закрытой архитектурой, другие компании не в состоянии разрабатывать
аналогичные системы, а потому единственным производителем Apple-совместимых
компьютеров является, собственно, сама компания Apple. Хотя выпуск на рынок таких
недорогих систем, как iMac, и рост популярности компьютеров Apple в образовательной и
культурной среде помогли компании улучшить свое положение дел, компьютеры Macintosh
не могут конкурировать со стандартными ПК, так как созданы на основе полностью
закрытой для сторонних разработчиков архитектуры. Жесткая конкуренция между
производителями и поставщиками ПК стала причиной того, что персональные системы
обладают впечатляющими возможностями, доступными за относительно небольшую цену.
Сегодня рынок PC-совместимых компьютеров продолжает развиваться. При
разработке новых моделей используются все более совершенные технологии. Поскольку эти
типы компьютерных систем используют самое разнообразное программное обеспечение, повидимому, в течение ближайших 20 лет доминировать на рынке будут PC-совместимые
компьютеры.
Закон Мура
В 1965 году Гордон Мур при подготовке доклада о перспективах развития
компьютерной памяти обнаружил интересную особенность: емкость каждой новой
микросхемы памяти удваивается по сравнению с ее предшественницей, а сама новая
микросхема появляется каждые 18—24 месяца. Построив линию тренда, Мур отметил,
что производительность компьютеров будет увеличиваться экспоненциально по времени.
Эту зависимость стали называть законом Мура. Кстати, этот закон описывает не
только рост емкости оперативной памяти, он часто используется для определения
степени роста быстродействия процессоров и емкости жестких дисков. За 26 лет
количество транзисторов процессора увеличилось в 18 тыс. раз: от 2,3 тыс. в процессоре
4004 до 140 млн. в Pentium III Xeon. Предполагается, что к 2007 году компания Intel
выпустит процессоры с рабочей частотой свыше 20 ГГц, содержащие более одного
миллиарда транзисторов.
Что нас ждет в будущем? Для рынка ПК можно с уверенностью сказать лишь одно:
компьютеры будут быстрее, меньше и дешевле. Согласно закону Мура, купленный вами
сегодня компьютер будет работать в два раза медленнее и хранить в два раза меньше данных
по сравнению с системой, купленной через 2 года. Но самое удивительное в том, что
прогресс на этом остановится: уже сейчас срок морального старения компьютера вплотную
приблизился к отметке в один год.
Тема: Оперативная память.
Цель:
Оперативная память — это рабочая область для процессора компьютера. В ней во
время работы хранятся программы и данные. Оперативная память часто рассматривается
как временное хранилище, потому что данные и программы в ней сохраняются только
при включенном компьютере или до нажатия кнопки сброса (reset). Перед выключением или
нажатием кнопки сброса все данные, подвергнутые изменениям во время работы,
необходимо сохранить на запоминающем устройстве, которое может хранить
информацию постоянно (обычно это жесткий диск). При новом включении питания
сохраненная информация вновь может быть загружена в память.
Устройства оперативной памяти иногда называют запоминающими
устройствами с произвольным доступом. Это означает, что обращение к данным,
хранящимся в оперативной памяти, не зависит от порядка их расположения в ней. Когда
говорят о памяти компьютера, обычно подразумевают оперативную память, прежде всего
микросхемы памяти или модули, в которых хранятся активные программы и данные,
используемые процессором. Однако иногда термин память относится также к внешним
запоминающим устройствам, таким, как диски и накопители на магнитной ленте.
За несколько лет определение RAM (Random Access Memory) превратилось из
обычной аббревиатуры в термин, обозначающий основное рабочее пространство памяти,
создаваемое микросхемами динамической оперативной памяти (Dynamic RAM — DRAM) и
используемое процессором для выполнения программ. Одним из свойств микросхем DRAM
(и, следовательно, оперативной памяти в целом) является динамическое хранение данных,
что означает, во-первых, возможность многократной записи информации в оперативную
память, а во-вторых, необходимость постоянного обновления данных (т.е., в сущности, их
перезапись) примерно каждые 15 мс (миллисекунд). Также существует так называемая
статическая оперативная память (Static RAM — SRAM), не требующая постоянного
обновления данных. Следует заметить, что данные сохраняются в оперативной памяти
только при включенном питании.
Под компьютерной памятью обычно подразумевается ОЗУ (RAM), т.е. физическая
память системы, которая состоит из микросхем или модулей памяти, используемых
процессором для хранения основных, запущенных в текущий момент времени программ
и данных. При этом термин хранилище данных относится не к оперативной памяти, а к
таким устройствам, как жесткие диски и накопители на магнитной ленте (которые, тем не
менее, можно использовать как разновидность RAM, получившую название виртуальная
память).
Термин оперативная память часто обозначает не только микросхемы, которые
составляют устройства памяти в системе, но включает и такие понятия, как логическое
отображение и размещение. Логическое отображение — это способ представления адресов
памяти на фактически установленных микросхемах. Размещение — это расположение
информации (данных и команд) определенного типа по конкретным адресам памяти
системы.
Новички часто путают оперативную память с памятью на диске, поскольку
емкость устройств памяти обоих типов выражается в одинаковых единицах — мега- или
гигабайтах. Попытаемся объяснить связь между оперативной памятью и памятью на
диске с помощью следующей простой аналогии.
Представьте себе небольшой офис, в котором некий сотрудник обрабатывает
информацию, хранящуюся в картотеке. В нашем примере шкаф с картотекой будет
выполнять роль жесткого диска системы, где длительное время хранятся программы и
данные. Рабочий стол будет представлять оперативную память системы, которую в
текущий момент обрабатывает сотрудник, — его действия подобны работе процессора. Он
имеет прямой доступ к любым документам, находящимся на столе. Однако, прежде чем
конкретный документ окажется на столе, его необходимо отыскать в шкафу. Чем больше в
офисе шкафов, тем больше документов можно в них хранить. Если рабочий стол
достаточно большой, можно одновременно работать с несколькими документами.
Добавление к системе жесткого диска подобно установке еще одного шкафа для
хранения документов в офисе — компьютер может постоянно хранить большее количество
информации. Увеличение объема оперативной памяти в системе подобно установке
большего рабочего стола — компьютер может работать с большим количеством программ и
данных одновременно.
Впрочем, есть одно различие между хранением документов в офисе и файлов в
компьютере: когда файл загружен в оперативную память, его копия все еще хранится на
жестком диске. Обратите внимание: поскольку невозможно постоянно хранить файлы в
оперативной памяти, все измененные после загрузки в память файлы должны быть вновь
сохранены на жестком диске перед выключением компьютера. Если измененный файл не
будет сохранен, то первоначальная копия файла на жестком диске останется неизменной.
Во время выполнения программы в оперативной памяти хранятся ее данные.
Микросхемы оперативной памяти (RAM) иногда называют энергозависимой памятью: после
выключения компьютера данные, хранимые в них, будут потеряны, если они
предварительно не были сохранены на диске или другом устройстве внешней памяти.
Чтобы избежать этого, некоторые приложения автоматически делают резервные копии
данных.
Файлы компьютерной программы при ее запуске загружаются в оперативную
память, в которой хранятся во время работы с указанной программой. Процессор
выполняет программно реализованные команды, содержащиеся в памяти, и сохраняет их
результаты. Оперативная память хранит коды нажатых клавиш при работе с текстовым
редактором, а также величины математических операций. При выполнении команды
Сохранить (Save) содержимое оперативной памяти сохраняется в виде файла на жестком
диске.
Физически оперативная память в системе представляет собой набор микросхем
или модулей, содержащих микросхемы, которые обычно подключаются к системной
плате. Эти микросхемы или модули могут иметь различные характеристики и, чтобы
функционировать правильно, должны быть совместимы с системой, в которую
устанавливаются.
Как и процессор, память — один из наиболее дорогих компонентов современного
компьютера, хотя общая стоимость памяти в обычном настольном компьютере за
последние несколько лет снизилась. Но даже после падения цен память системы, как
правило, стоит вдвое дороже, чем системная плата. До обвального падения цен на память в
середине 1996 года в течение многих лет цена одного мегабайта памяти держалась
приблизительно на уровне 40 долларов. Шестнадцать мегабайтов (в то время это типичная
конфигурация) стоили более 600 долларов. Фактически до середины 1996 года память была
невероятно дорога: ее цена превышала стоимость слитка золота, который весил столько же,
сколько и модуль памяти. Высокие цены привлекли внимание преступников, и несколько
складов крупных производителей модулей памяти подверглись вооруженному нападению.
Цена модулей была значительной, спрос — ничуть не меньше, поэтому украденные
микросхемы было практически невозможно отследить.
К концу 1996 года цена одного мегабайта памяти снизилась приблизительно до 4
долларов. В 1997 году стоимость памяти опустилась до наиболее низкой за всю ее историю
отметки, достигнув 50 центов за один мегабайт. Все было неплохо до 1998 года, когда цены
на модули памяти подскочили в четыре раза. Основным виновником была компания Intel,
навязывавшая компьютерной индустрии память стандарта Rambus DRAM (RDRAM) и не
сумевшая вовремя предоставить соответствующие наборы микросхем системной логики.
Производители были вынуждены перейти на изготовление типов памяти, для которых не
существовало готовых системных плат и наборов микросхем, что привело к недостаче
популярной памяти SDRAM. Землетрясение на о. Тайвань еще более усугубило ситуацию и
привело к дальнейшему росту цен.
Тем не менее постепенно все вернулось на круги своя и стоимость памяти
составила 20 центов за мегабайт и меньше. В частности, 2001 год стал для
полупроводниковой промышленности годом катастроф, что выразилось в заметном
снижении объема продаж по сравнению с товарооборотом последних лет. Происшедшие
события вынудили производителей максимально уменьшить цены на память и даже
привели к объединению или перепрофилированию некоторых компаний.
Хотя память значительно подешевела, модернизировать ее приходится намного
чаще, чем несколько лет назад. В настоящее время новые типы памяти разрабатываются
значительно быстрее, и вероятность того, что в новые компьютеры нельзя будет
установить память устаревшего типа, как никогда велика. Поэтому при замене системной
платы зачастую приходится заменять и память.
В связи с этим при выборе типа устанавливаемой памяти следует все хорошо
обдумать и просчитать, чтобы минимизировать затраты на будущую модернизацию (или
ремонт).
В современных компьютерах используются запоминающие устройства трех
основных типов.
■ ROM (Read Only Memory). Постоянное запоминающее устройство — ПЗУ, не способное
выполнять операцию записи данных.
■ DRAM (Dynamic Random Access Memory). Динамическое запоминающее устройство с
произвольным порядком выборки.
■ SRAM (Static RAM). Статическая оперативная память.
Быстродействие ОЗУ
Быстродействие процессора выражается в мегагерцах (МГц), а быстродействие
запоминающего устройства и его эффективность — в наносекундах (нс).
Наносекунда — это одна миллиардная доля секунды, т.е. очень короткий промежуток
времени. Заметьте, что скорость света в вакууме равна 299 792 км/с. За одну миллиардную
долю секунды световой луч проходит расстояние, равное всего лишь 29,98 см, т.е. меньше
длины обычной линейки!
Быстродействие процессоров и микросхем выражается в мегагерцах (МГц), т.е. в
миллионах циклов, выполняемых в течение одной секунды. Рабочая частота современных
процессоров достигает 3000 МГц и более (3 ГГц, или 3 млрд. циклов в секунду), а в 2004
году должна возрасти до 4 ГГц.
Модули памяти
Процессор и архитектура системной платы (набора микросхем) определяют емкость
физической памяти компьютера, а также типы и форму используемых модулей памяти. За
прошедшие годы скорость передачи данных и быстродействие памяти значительно
выросли. Скорость и разрядность памяти определяются процессором и схемой
контроллера памяти. В современных компьютерах контроллер памяти включен в набор
микросхем системной платы. В том случае, если система может физически поддерживать
определенный объем памяти, типом программного обеспечения будут обусловлены более
конкретные характеристики используемой памяти.
Объем физической памяти компьютера зависит от типа используемого процессора и
архитектуры системной платы. В процессорах 8086 и 8088 с 20 линиями адреса объем
памяти не превышает 1 Мбайт (1 024 Кбайт). Процессоры 286 и 386SX имеют 24 линии
адреса и могут адресовать до 16 Мбайт памяти. Процессоры 386DX, 486, Pentium, Pentium
MMX и Pentium Pro имеют 32 линии адреса и могут взаимодействовать с памятью объемом
до 4 Гбайт. Процессоры Pentium II/III/4, а также AMD Athlon и Duron имеют 36 линий адреса
и в состоянии обрабатывать 64 Гбайт. Новый процессор Itanium, с другой стороны, имеет 44разрядную адресацию, что позволяет обрабатывать до 16 Тбайт (терабайт) физической
памяти!
Режим эмуляции процессора 8088 микропроцессорами 286 и выше называется
реальным режимом работы системы. Это единственно возможный режим процессоров 8088
и 8086 в компьютерах PC и XT. В реальном режиме все процессоры, даже всемогущий
Pentium, могут адресовать только 1 Мбайт памяти, при этом 384 Кбайт зарезервировано для
системных нужд. Полностью возможности адресации памяти процессоров 286 и
последующих могут быть реализованы только в защищенном режиме.
Системы класса P5 могут адресовать до 4 Гбайт памяти, системы класса P6/P7 — до
64 Гбайт. Если внедрить поддержку 64 Гбайт (65 536 Мбайт) памяти в современную систему,
то ее стоимость достигла бы примерно 70 тыс. долларов! Более того, объем наибольших
модулей памяти DIMM, существующих сегодня, равен 1 Гбайт. Поэтому для установки 64
Гбайт оперативной памяти потребуется системная плата, содержащая 64 разъема DIMM.
Следует заметить, что в большинстве систем поддерживается только до четырех разъемов
DIMM.
Системные платы обычно содержат от трех до шести разъемов DIMM, которые
позволяют при полном их заполнении достичь максимального объема 1,5-3 Гбайт.
Максимальный объем установленной памяти определяется не процессором, а в основном
свойствами набора микросхем. Существующие процессоры позволяют адресовать, как уже
отмечалось, до 64 Гбайт памяти, но возможности наборов микросхем ограничены объемом в
2 или 4 Гбайт.
Существует еще целый ряд ограничений. Первые системы класса P5 появились в 1993
году, но только с 1997 года (или даже позже) в этих компьютерах стали использоваться
наборы микросхем системной логики, поддерживающие память SDRAM DIMM. Более того,
наборы микросхем класса P5, например Intel 430TX, поддерживают теоретически 256 Мбайт
оперативной памяти, а на самом деле не более 64 Мбайт, что связано с ограничением объема
кэшируемой памяти. Так что для систем класса Р5 более 64 Мбайт памяти следует устанавливать только при условии, что кэш-память второго уровня конкретной системной
платы сможет взаимодействовать с таким объемом памяти. Современные системные
платы поддерживают, в зависимости от их разновидностей, до 256, 512 или 1 Гбайт RAM.
Быстродействие памяти
При замене неисправного модуля или микросхемы памяти новый элемент должен
быть такого же типа, а его время доступа должно быть меньше или равно времени доступа
заменяемого модуля. Таким образом, заменяющий элемент может иметь и более высокое
быстродействие.
Обычно проблемы возникают при использовании микросхем или модулей, не
удовлетворяющих определенным (не слишком многочисленным) требованиям, например
к длительности циклов регенерации. Вы можете также столкнуться с несоответствием в
разводках выводов, емкости, разрядности или конструкции. Время выборки (доступа)
всегда может быть меньше, чем это необходимо (т.е. элемент может иметь более высокое
быстродействие), при условии, конечно, что все остальные требования соблюдены.
При установке более быстродействующих модулей памяти производительность
компьютера, как правило, не повышается, поскольку система обращается к ней с
прежней частотой. Если память компьютера работает с предельным быстродействием,
замена модулей может повысить его надежность.
Чтобы акцентировать внимание на проблемах синхронизации и надежности, Intel
создала стандарт для высокоскоростных модулей памяти, работающих на частоте 100 и 133
МГц. Этот стандарт, называемый PC100 и РС133, поддерживается во многих наборах
микросхем системной логики. Он устанавливает пределы синхронизации и время доступа
для модулей памяти. Ведь при работе на частоте 100 МГц и выше допустимые отклонения в
синхронизации памяти не очень велики.
При неполадках в памяти и ее недостаточном быстродействии возникают одни и
те же проблемы (обычно появляются ошибки четности или компьютер перестает
работать). Сообщения об ошибках могут возникать и при выполнении процедуры POST.
Контроль четности и коды коррекции ошибок (ЕСС)
Ошибки при хранении информации в памяти неизбежны. Они обычно
классифицируются как отказы и нерегулярные ошибки (сбои).
Если нормально функционирующая микросхема вследствие, например,
физического повреждения начинает работать неправильно, то все происходящее и
называется постоянным отказом. Чтобы устранить этот тип отказа, обычно требуется
заменить некоторую часть аппаратных средств памяти, например неисправную микросхему
SIMM или DIMM.
Другой, более коварный тип отказа — нерегулярная ошибка (сбой). Это
непостоянный
отказ,
который
не
происходит
при
повторении
условий
функционирования или через регулярные интервалы.
Приблизительно 20 лет назад сотрудники Intel установили, что причиной сбоев
являются альфа-частицы. Поскольку альфа-частицы не могут проникнуть даже через
тонкий лист бумаги, выяснилось, что их источником служит вещество, используемое в
полупроводниках. При исследовании были обнаружены частицы тория и урана в
пластмассовых и керамических корпусах микросхем, применявшихся в те годы. Изменив
технологический процесс, производители памяти избавились от этих примесей .
Увеличение объема памяти
Увеличение существующего объема памяти — один из наиболее эффективных и
дешевых способов модернизации, особенно если принять во внимание возросшие
требования к объему памяти операционных систем Windows 9x/NT/2000/XP и OS/2. В
некоторых случаях увеличение объема в два раза приводит к такому же (а иногда и
большему) повышению производительности системы.
Ниже рассматривается процесс увеличения объема памяти, включая выбор
микросхем памяти, их установку и последующее тестирование.
Стратегия модернизации
Добавление памяти — сравнительно недорогая операция. Кроме того, даже
незначительное увеличение памяти может существенно повысить производительность
компьютера. Каким образом можно добавить память в ПК? Для этого существует два
способа.
■ Добавление памяти в свободные разъемы системной платы.
■ Замена установленной памяти памятью большего объема.
Добавление дополнительной памяти в устаревшие ПК будет весьма неэффективно.
Лучше приобретите более мощный компьютер с большими возможностями
модернизации.
Обдумайте ваши будущие потребности в вычислительной мощности и
многозадачности операционной системы (OS/2, Windows 9x/NT/2000 или Linux), а также
убедитесь, что они стоят средств, затраченных на модернизацию системы.
Прежде чем добавлять в компьютер микросхемы памяти (или заменять дефектные
микросхемы), следует определить тип необходимых микросхем памяти. Эта
информация должна содержаться в документации к вашей системе.
Если необходимо заменить дефектную микросхему памяти и нет возможности
обратиться к документации, то тип установленных микросхем можно определить путем
их визуального осмотра. На каждой микросхеме есть маркировка, которая указывает ее
емкость и быстродействие. После этого обратитесь в ближайший компьютерный магазин
с просьбой определить тип соответствующего чипа памяти для вашего компьютера.
Тема: Устройства магнитного хранения данных.
Хранение данных на магнитных носителях.
Как магнитное поле используется для хранения данных.
Способы кодирования данных.
История развития устройств хранения данных на магнитных носителях.
Практически во всех персональных компьютерах информация хранится на
носителях, использующих магнитные или оптические принципы. При использовании
магнитных устройств хранения двоичные данные "превращаются" в небольшие
металлические намагниченные частички, расположенные на плоском диске или ленте в
виде "узора". Этот магнитный "узор" впоследствии может быть расшифрован в поток
двоичных данных.
Понять принцип действия магнитных запоминающих устройств довольно сложно,
так как магнитные поля невидимы для человеческого глаза. Данные, которые хранятся на
жестких дисках, дискетах, накопителях на магнитной ленте или других запоминающих
устройствах на магнитных носителях, имеют большую ценность, чем сами устройства,
поэтому понимание принципов обработки данных имеет свои преимущества. Ясное
представление об используемых технологиях позволит справиться с любыми
возникающими проблемами.
История развития устройств хранения данных на магнитных носителях
Долгое время основным устройством хранения данных в компьютерном мире
были перфокарты. И только в 1949 году группа инженеров и исследователей компании IBM
приступила к разработке нового устройства хранения данных. Именно это и стало точкой
отсчета в истории развития устройств магнитного хранения данных, которые буквально
взорвали компьютерный мир. 21 мая 1952 года IBM анонсировала модуль ленточного
накопителя IBM 726 для вычислительной машины IBM 701.
Четыре года спустя, 13 сентября 1956 года, небольшая команда разработчиков все той
же IBM объявила о создании первой дисковой системы хранения данных — 305 RAMAC
(Random Access Method of Accounting and Control).
Эта система могла хранить 5 млн. символов (5 Мбайт!) на 50 дисках диаметром 24
дюйма (около 61 см). В отличие от ленточных устройств хранения данных, в системе RAM
AC запись осуществлялась с помощью головки в произвольное место поверхности диска.
Такой способ заметно повысил производительность компьютера, поскольку данные
записывались и извлекались намного быстрее, чем при использовании ленточных
устройств.
Устройства магнитного хранения данных прошли путь от RAMAC до современных
жестких дисков емкостью 75 Гбайт и размером 3,5 дюйма. Практически все устройства
магнитного хранения данных были созданы в исследовательских центрах IBM; например,
команда разработчиков под руководством Алана Шугарта (Alan Shugart) в 1971 году
представила накопитель на гибких дисках диаметром 8 дюймов. Кроме того, IBM впервые
разработала схемы кодирования данных MFM (Modified Frequency Modulation) и RLL (Run
Length Limited), головки накопителей — тонкопленочные и семейство магниторезистивных,
технологии накопителей — PRML (Partial Response Maximum Likelihood) и S.M.A.R.T. (SelfMonitoring Analysis and Reporting Technology).
Как магнитное поле используется для хранения данных
В основе работы магнитных носителей — накопителей на жестких и гибких дисках —
лежит такое явление, как электромагнетизм. Оно было открыто датским физиком
Хансом Эрстедом в 1820 году. Суть его состоит в том, что при пропускании через проводник
электрического тока вокруг него образуется магнитное поле (рис. 1).
Это поле воздействует на оказавшееся в нем ферромагнитное вещество. При
изменении направления тока полярность магнитного поля также изменяется. Явление
электромагнетизма
используется
в
электродвигателях
для
генерации
сил,
воздействующих на магниты, которые установлены на вращающемся валу.
Однако существует и противоположный эффект: в проводнике, на который
воздействует переменное магнитное поле, возникает электрический ток. При изменении
полярности магнитного поля изменяется и направление электрического тока (рис. 2).
Направление тока
Батарея
Рисунок 1. При пропускании тока через проводник вокруг него образуется магнитное
поле
Прово
Рисунок 2. При перемещении проводника в магнитном поле в нем генерируется
электрический ток
Как магнитное поле используется для хранения данных
Например, внутри обмоток генератора электрического тока, который используется в
автомобилях, есть ротор с катушкой возбуждения, при вращении которой в обмотках генератора
возникает электрический ток. Благодаря такой взаимной "симметрии" электрического тока и
магнитного поля существует возможность записывать, а затем считывать данные на магнитном
носителе.
Головка чтения/записи в любом дисковом накопителе состоит из U-образного ферромагнитного сердечника и намотанной на него катушки (обмотки), по которой может протекать
электрический ток. При пропускании тока через обмотку в сердечнике (магнитопроводе)
головки создается магнитное поле. При переключении направления протекающего тока
полярность магнитного поля также изменяется. В сущности, головки представляют собой
электромагниты, полярность которых можно очень быстро изменить, переключив направление
пропускаемого электрического тока.
Магнитное поле в сердечнике частично распространяется в окружающее пространство
благодаря наличию зазора, "пропиленного" в основании буквы U. Если вблизи зазора располагается другой ферромагнетик (рабочий слой носителя), то магнитное поле в нем локализуется,
поскольку подобные вещества обладают меньшим магнитным сопротивлением, чем воздух.
Магнитный поток, пересекающий зазор, замыкается через носитель, что приводит к поляризации
его магнитных частиц (доменов) в направлении действия поля. Направление поля и,
следовательно, остаточная намагниченность носителя зависят от полярности электрического
поля в обмотке головки.
Гибкие магнитные диски обычно делаются на лавсановой, а жесткие — на
алюминиевой или стеклянной подложке, на которую наносится слой ферромагнитного
материала. Рабочий слой в основном состоит из окиси железа с различными добавками.
Магнитные поля, создаваемые отдельными доменами на чистом диске, ориентированы
случайным образом и взаимно компенсируются на любом сколько-нибудь протяженном
(макроскопическом) участке поверхности диска, поэтому его остаточная намагниченность равна
нулю.
Магнитное поле, генерируемое головкой чтения/записи, "перескакивает" зазор между
концами U-образного сердечника. Пройти по проводнику значительно легче, чем преодолевать
воздушную прослойку, поэтому магнитное поле отклоняется от конца сердечника, используя
поверхность близлежащего ферромагнитного носителя в качестве кратчайшего пути к другому
концу магнита. При прохождении поля через рабочий слой, находящийся непосредственно под
сердечником, происходит поляризация магнитных частиц, что приводит к их ориентации по
направлению действия магнитного поля. Полярность или направление поля, в частности поля,
которое индуцируется в среде магнитного носителя, определяется направлением электрического
тока, проходящего через обмотку. Смена направления электрического тока приводит к
изменению полярности магнитного поля. Расстояние между головкой чтения/записи и
поверхностью носителя с развитием магнитных запоминающих устройств постоянно
уменьшалось. Это дало возможность значительно уменьшить величину зазора между концами
сердечника и размер записываемого магнитного домена, а уменьшение размера домена
позволило, в свою очередь, повысить плотность записи данных, хранящихся на диске.
При прохождении магнитного поля через носитель, частицы, оказавшиеся под зазором
сердечника, ориентируются по направлению действия поля, которое индуцируется головкой
чтения/записи. Когда отдельные магнитные домены частиц выстраиваются в определенном
направлении, то их магнитные поля прекращают компенсировать друг друга, что приводит к
появлению на этом участке отчетливого магнитного поля. Это локальное поле генерируется
множеством магнитных частиц, которые в данном случае функционируют как одно целое,
создавая общее поле, имеющее единое направление.
Итак, в результате протекания переменного тока импульсной формы в обмотке головки
чтения/записи на вращающемся диске образуется последовательность участков с различной по
знаку (направлению) остаточной намагниченностью. Причем наиболее важными в аспекте
последующего воспроизведения записанной информации оказываются те зоны, в которых
происходит смена направления остаточного магнитного поля, или просто зоны смены знака.
Магнитная головка записывает данные на диск, размещая на нем зоны смены знака.
При записи каждого бита (или битов) данных в специальных областях на диске располагаются
последовательности зон смены знака. Эти области называются битовыми ячейками. Таким
образом, битовая ячейка — это специальная область на диске, в которой головка размещает
зоны смены знака. Геометрические размеры такой ячейки зависят от тактовой частоты сигнала
записи и скорости, с которой перемещаются относительно друг друга головка и поверхность
диска. Ячейка перехода — это область на диске, в которую можно записать только одну зону
смены знака. При записи отдельных битов данных или их групп в ячейках формируется
характерный "узор" из зон смены знака, зависящий от способа кодирования информации. Это
связано с тем, что в процессе переноса данных на магнитный носитель каждый бит (или группа
битов) с помощью специального кодирующего устройства преобразуется в серию электрических
сигналов, не являющихся точной копией исходной последовательности импульсов.
Сегодня
самыми
распространенными
способами
кодирования
являются
модифицированная частотная модуляция (Modified Frequency Modulation — MFM) и
кодирование с ограничением длины поля записи (Run Length Limited — RLL). Для записи на
гибкие диски используется метод MFM, а на жесткие — MFM и несколько вариантов метода
RLL.
Тема: Накопители на жестких дисках.
Что такое жесткий диск.
Новейшие достижения.
Принципы работы накопителей на жестких дисках.
Основные компоненты накопителей на жестких дисках.
Характеристики накопителей на жестких дисках.
Самым необходимым и в то же время самым загадочным компонентом компьютера
является накопитель на жестком диске. Как известно, он предназначен для хранения
данных, и последствия его выхода из строя зачастую оказываются катастрофическими.
Для правильной эксплуатации или модернизации компьютера необходимо хорошо
представлять себе, что же это такое — накопитель на жестком диске.
Основными элементами накопителя являются несколько круглых алюминиевых
или некристаллических стекловидных пластин. В отличие от гибких дисков (дискет), их
нельзя согнуть; отсюда и появилось название жесткий диск (рис. 1). В большинстве
устройств они несъемные, поэтому иногда такие накопители называются фиксированными
(fixed disk). Существуют также накопители со сменными дисками.
114
Рисунок 1. Вид накопителя на жестких дисках со снятой верхней крышкой
Замечание
Накопители на жестких дисках обычно называют винчестерами. Этот термин
появился в 1960-х годах, когда IBM выпустила высокоскоростной накопитель с одним
несъемным и одним сменным дисками емкостью по 30 Мбайт. Этот накопитель состоял из
пластин, которые вращались с высокой скоростью, и "парящих" над ними головок, а номер
его разработки - 30-30. Такое цифровое обозначение (30-30) совпало с обозначением
популярного нарезного оружия Winchester, поэтому термин винчестер вскоре стал
применяться в отношении любого стационарно закрепленного жесткого диска. Это
типичный профессиональный жаргон, на самом деле подобные устройства не имеют с
обычными винчестерами (т.е. с оружием) ничего общего.
Принципы работы накопителей на жестких дисках
В накопителях на жестких дисках данные записываются и считываются универсальными
головками чтения/записи с поверхности вращающихся магнитных дисков, разбитых на
дорожки и секторы (512 байт каждый).
В накопителях обычно устанавливается несколько дисков, и данные записываются на
обеих сторонах каждого из них. В большинстве накопителей есть по меньшей мере два или три
диска (что позволяет выполнять запись на четырех или шести сторонах), но существуют также
устройства, содержащие до И и более дисков. Однотипные (одинаково расположенные)
дорожки на всех сторонах дисков объединяются в цилиндр (рис. 10.3). Для каждой стороны
диска предусмотрена своя дорожка чтения/записи, но при этом все головки смонтированы на
общем стержне, или стойке. Поэтому головки не могут перемещаться независимо друг от друга
и двигаются только синхронно.
Жесткие диски вращаются намного быстрее, чем гибкие. Частота их вращения
даже в большинстве первых моделей составляла 3 600 об/мин (т.е. в 10 раз больше, чем в
накопителе на гибких дисках) и до последнего времени была почти стандартом для
жестких дисков. Но в настоящее время частота вращения жестких дисков возросла.
Например, в портативном компьютере Toshiba диск объемом 3,3 Гбайт вращается с
частотой 4 852 об/мин, но уже существуют модели с частотами 5 400, 5 600, 6 400, 7 200, 10
000 и даже 15 000 об/мин. Большинство серийно выпускаемых накопителей,
используемых в настоящее время в персональных компьютерах, имеют скорость
вращения дисков 5 400 об/мин. Скорость вращения дисков моделей с улучшенными
рабочими характеристиками достигает 7 200 об/мин. Накопители со скоростью вращения 10
000 или 15 000 об/мин используются обычно только в высокоэффективных рабочих
станциях или серверах, для которых высокая стоимость жестких дисков, повышенное
тепловыделение и шум не играют существенной роли. Высокие скорости вращения
жесткого диска в сочетании с механизмами быстрого позиционирования головок и уве личенным количеством секторов, содержащихся на каждой дорожке, являются теми
факторами, которые определяют общую производительность жесткого диска.
При нормальной работе жесткого диска головки чтения/записи не касаются (и не
должны касаться!) дисков. Но при выключении питания и остановке дисков они
опускаются на поверхность. Во время работы устройства между головкой и поверхностью
вращающегося диска образуется очень малый воздушный зазор (воздушная подушка).
Если в этот зазор попадет пылинка или произойдет сотрясение, головка "столкнется" с
диском, вращающимся "на полном ходу". Если удар будет достаточно сильным,
произойдет поломка головки. Последствия этого могут быть разными — от потери
114
нескольких байтов данных до выхода из строя всего накопителя. Поэтому в большинстве
накопителей поверхности магнитных дисков легируют и покрывают специальными
смазками, что позволяет устройствам выдерживать ежедневные "взлеты" и
"приземления" головок, а также более серьезные потрясения.
В некоторых наиболее современных накопителях вместо конструкции CSS (Contact
Start Stop) используется механизм загрузки/разгрузки, который не позволяет головкам
входить в контакт с жесткими дисками даже при отключении питания накопителя. Этот
механизм был впервые использован в 2,5-дюймовых накопителях портативных
компьютеров, для которых устойчивость к механическим воздействиям играет весьма
важную роль. В механизме загрузки/разгрузки используется наклонная панель,
расположенная прямо над внешней поверхностью жесткого диска. Когда накопитель
выключен или находится в режиме экономии потребляемой мощности, головки съезжают
на эту панель. При подаче электроэнергии разблокировка головок происходит только
тогда, когда скорость вращения жестких дисков достигнет нужной величины. Поток
воздуха, создаваемый при вращении дисков (аэростатический подшипник), позволяет
избежать возможного контакта между головкой и поверхностью жесткого диска.
Поскольку пакеты магнитных дисков содержатся в плотно закрытых корпусах и
их ремонт не предусмотрен, плотность дорожек на них очень высока — до 96 000 и более на
дюйм (Hitachi Travelstar 80GH). Блоки HDA (Head Disk Assembly — блок головок и дисков)
собирают в специальных цехах, в условиях практически полной стерильности.
Обслуживанием HDA занимаются считанные фирмы, поэтому ремонт или замена какихлибо деталей внутри герметичного блока HDA обходится очень дорого. Вам придется
смириться с мыслью, что рано или поздно накопитель выйдет из строя, и вопрос только в
том, когда это произойдет и успеете ли вы сохранить свои данные.
При этом изменятся и скоростные характеристики головки. Среднее время
позиционирования, составляющее 8,5 мс, определяется как время, затрачиваемое для
перемещения головки на одну треть от общего числа дорожек (в этом случае, примерно 9
241-я дорожка), т.е. за столь короткое время головка проходит расстояние, равное 1,71 мили.
С учетом масштабного коэффициента скорость поиска составляет более 726 321 миль в час
или 202 миль в секунду!
Дорожки и секторы
Дорожка — это одно "кольцо" данных на одной стороне диска. Дорожка записи на
диске слишком велика, чтобы использовать ее в качестве единицы хранения
информации. Во многих накопителях ее емкость превышает 100 тыс. байт, и отводить такой
блок для хранения небольшого файла крайне расточительно. Поэтому дорожки на диске
разбивают на нумерованные отрезки, называемые секторами.
Количество секторов может быть разным в зависимости от плотности дорожек и
типа накопителя. Например, дорожка гибких дисков может содержать от 8 до 36 секторов, а
дорожка жесткого диска — от 380 до 700. Секторы, создаваемые с помощью стандартных
программ форматирования, имеют емкость 512 байт, но не исключено, что в будущем эта
величина изменится.
Нумерация секторов на дорожке начинается с единицы, в отличие от головок и
цилиндров, отсчет которых ведется с нуля. Например, дискета HD (High Density) формата 3,5
дюйма (емкостью 1,44 Мбайт) содержит 80 цилиндров, пронумерованных от 0 до 79, в
дисководе установлены две головки (с номерами 0 и 1), и каждая дорожка цилиндра разбита
на 18 секторов (1-18).
При форматировании диска в начале и конце каждого сектора создаются
дополнительные области для записи их номеров, а также прочая служебная информация,
благодаря которой контроллер идентифицирует начало и конец сектора. Это позволяет
отличать неформатированную и форматированную емкости диска. После форматирования
емкость диска уменьшается, и с этим приходится мириться, поскольку для обеспечения
114
нормальной работы накопителя некоторое пространство на диске должно быть
зарезервировано для служебной информации.
В начале каждого сектора записывается его заголовок (или префикс — prefix portion),
по которому определяется начало и номер сектора, а в конце — заключение (или суффикс —
suffix portion), в котором находится контрольная сумма {checksum), необходимая для
проверки целостности данных. В большинстве новых дисководов вместо заголовка
используется так называемая запись No-ID, вмещающая в себя больший объем данных.
Помимо указанных областей служебной информации, каждый сектор содержит
область данных емкостью 512 байт. При низкоуровневом (физическом) форматировании
всем байтам данных присваивается некоторое значение, например F6h. Электронные схемы
накопителей с большим трудом справляются с кодированием и декодированием
некоторых шаблонов, поскольку эти шаблоны используются только при тестировании
дисководов,
выполняемом
производителем
в
процессе
первоначального
форматирования. Использование специальных тестовых шаблонов позволяет выявить
ошибки, которые не обнаруживаются с помощью обычных шаблонов данных.
Заголовки и трейлеры (записи контрольной суммы) секторов не зависят от
операционной и файловой систем, а также файлов, хранящихся на жестком диске.
Помимо трейлеров и заголовков, существует множество промежутков в секторах, между
секторами на каждой дорожке и между дорожками, но ни один из этих промежутков не
может быть использован для записи данных. Промежутки создаются во время
форматирования на низшем (физическом) уровне, при котором удаляются все
записанные данные. На жестком диске промежутки выполняют точно такие же функции,
как и на магнитофонной кассете, где они используются для разделения музыкальных
записей. Начальные, завершающие и промежуточные пробелы представляют собой
именно то пространство, которое определяет разницу между форматной и неформатной
емкостью диска. Например, емкость дискеты объемом 4 Мбайт (3,5-дюйма) после
форматирования "уменьшается" до 2,88 Мбайт (форматная емкость). Дискета емкостью 2
Мбайт (до форматирования) имеет форматную емкость 1,44 Мбайт. Жесткий диск Seagate
ST-4038, имеющий неформатную емкость 38 Мбайт, после форматирования "уменьшается"
до 32 Мбайт (форматная емкость). Низкоуровневое форматирование современных жестких
дисков ATA/IDE и SCSI выполняется еще на заводе, поэтому изготовитель указывает только
форматную емкость диска. Тем не менее практически на всех дисках имеется некоторое
зарезервированное пространство для управления данными, которые будут записаны на
диске. Как видите, утверждать, что размер любого сектора равен 512 байт, не вполне
корректно. На самом деле в каждом секторе можно записать 512 байт данных, но область
данных — это только часть сектора. Каждый сектор на диске обычно занимает 571 байт, из
которых под данные отводится только 512 байт. В различных накопителях пространство,
отводимое под заголовки (header) и трейлеры (trailer), может быть разным, но, как правило,
сектор имеет размер 571 байт.
Чтобы очистить секторы, в них зачастую записываются специальные
последовательности байтов. Заметим, что, кроме промежутков внутри секторов,
существуют промежутки между секторами на каждой дорожке и между самими
дорожками. При этом ни в один из указанных промежутков нельзя записать "полезные"
данные. Префиксы, суффиксы и промежутки — это как раз то пространство, которое
представляет собой разницу между неформатированной и форматированной емкостями
диска и "теряется" после его форматирования.
Форматирование дисков
Различают два вида форматирования диска:
■ физическое, или форматирование низкого уровня;
■ логическое, или форматирование высокого уровня.
При форматировании гибких дисков с помощью программы Проводник (Windows
Explorer) или команды DOS FORMAT выполняются обе операции.
114
Однако для жестких дисков эти операции следует выполнять отдельно. Более
того, для жесткого диска существует и третий этап, выполняемый между двумя
указанными операциями форматирования, — разбивка диска на разделы. Создание разделов
абсолютно необходимо в том случае, если вы предполагаете использовать на одном
компьютере несколько операционных систем. Физическое форматирование всегда
выполняется одинаково, независимо от свойств операционной системы и параметров
форматирования высокого уровня (которые могут быть различными для разных
операционных систем). Это позволяет совмещать несколько операционных систем на
одном жестком диске. При организации нескольких разделов на одном накопителе
каждый из них может использоваться для работы под управлением своей операционной
системы либо представлять отдельный том (volume), или логический диск (logical drive).
Тому, или логическому диску, система присваивает буквенное обозначение.
Таким образом, форматирование жесткого диска выполняется в три этапа.
1. Форматирование низкого уровня.
2. Организация разделов на диске.
3. Форматирование высокого уровня.
Характеристики накопителей на жестких дисках
Если вы собрались покупать новый накопитель или просто хотите разобраться в
том, каковы различия между устройствами разных семейств, сравните их параметры.
Ниже приведены критерии, по которым обычно оценивают качество жестких дисков.
■ Емкость.
■ Быстродействие.
■ Надежность.
■ Стоимость.
Тема: Накопители со сменными носителями.
Зачем использовать накопители со сменными носителями.
Обзор съемных магнитных накопителей.
Интерфейсы для съемных накопителей.
Съемные накопители, сравнимые по объемам с жесткими дисками.
Флэш-память. Накопитель IBM Microdrive.
Накопители на магнитной ленте.
Выбор сменных запоминающих устройств достаточно велик. Размер сменных
носителей, используемых в накопителях подобного типа, может соответствовать 3,5 дюймовой дискете/адаптеру PC Card или же превышать габариты большого 5,25-дюймового
гибкого диска. Емкость наиболее распространенных накопителей со сменными
носителями колеблется в пределах от 100 Мбайт до 100 Гбайт и более. Эти устройства
имеют довольно высокую эффективность и применяются как для записи нескольких
файлов данных или редко используемых программ, так и для создания полной копии
жесткого диска на сменном диске или магнитной ленте.
Дополнительная память
По мере роста объема и возможностей различных операционных систем и
приложений увеличивается и объем памяти, необходимой для размещения этих
программ, а также создаваемых с их помощью данных.
Операционные системы — далеко не единственный тип программ, объем которых
постоянно возрастает. Мультимедийная революция, выразившаяся в появлении дешевых
цифровых камер, сканеров и видеомагнитофонов, дала возможность фиксировать и
сохранять оцифрованные изображения, быстро заполняющие сотни мегабайт свободного
пространства. Повальное увлечение музыкой в формате МРЗ привело к переполнению
пользовательских систем неисчислимыми гигабайтами эстрадных и классических
произведений, записанных в цифровом виде.
114
Запоминающие устройства со сменными носителями большой емкости
позволяют довольно легко переносить с одного компьютера на другой огромные файлы
данных, созданные, например, в программах автоматизированного проектирования
(САПР) или в графических приложениях. Благодаря сменным носителям можно убрать
незащищенные данные с рабочего компьютера, оберегая тем самым свои личные файлы
от любопытных глаз. Некоторые запоминающие устройства со сменными носителями
отличаются архивной долговечностью, в то время как используемые в области цифровой
фотографии созданы по принципу "сфотографировал, отпечатал и удалил".
Резервное копирование данных
Вы, наверное, не раз встречали в серьезной компьютерной литературе
рекомендации, касающиеся резервного копирования данных. Создание резервных копий
жизненно необходимо, так как любые проблемы, возникающие в системе, могут
привести к повреждению какой-либо важной информации или программы, хранящихся
на жестком диске компьютера. Существует целый ряд причин, которые могут привести к
повреждению данных. Некоторые из них приведены ниже.
■ Резкие колебания напряжения, подаваемого на компьютер (перепады
напряжения),
которые приводят к повреждению или искажению данных.
■ Ошибочная перезапись файла.
■ Форматирование жесткого диска по ошибке (например, вместо форматирования
дискеты).
■ Отказ работы жесткого диска, приводящий при отсутствии резервных копий к потере
данных. При этом после установки нового дисковода следует повторно установить
необходимое программное обеспечение.
■ Катастрофы, приводящие к повреждению компьютера (бури, наводнения, пожары,
молнии, грабители и т.п.). Молния, ударившая невдалеке от вашего офиса или дома,
может привести к повреждению схемы вычислительной машины, в том числе и жесткого
диска. Кража компьютера эквивалентна действию пожара или наводнения. В этом случае
полная резервная копия данных значительно упростит процесс замены поврежденного
компьютера.
■ Повреждение данных при вирусном заражении системы. Компьютерные вирусы,
содержащиеся в загруженной программе или на гибком диске, могут привести к повреждению ценных файлов или даже всего содержимого жесткого диска. Ежемесячно
появляется несколько сотен новых вирусов, поэтому ни одна из антивирусных программ
не сможет гарантировать полную безопасность. Свежая резервная копия
неинфицированных критических файлов позволит с наименьшими усилиями восстановить
утраченные данные.
Резервные копии также позволяют избежать проблем, связанных с переполнением жесткого диска или необходимостью передачи данных на другой компьютер. Создавая резервную
копию редко используемых данных, можно смело удалить исходные данные, освободив тем
самым занятое ими рабочее пространство жесткого диска. При необходимости нужные файлы
данных всегда можно восстановить из резервной копии. Кроме того, копирование данных позволяет совместно использовать большие объемы информации, например при ее передаче на
другую систему или даже в другой город. В этом случае достаточно скопировать данные на
магнитную ленту или носитель другого типа и затем передать его пользователю.
Несмотря на важность регулярного создания резервных копий, многие пользователи стараются этого избежать. Основная причина кроется в потерях времени при копировании данных
на гибкие диски или другие носители малой емкости. В подобных случаях для резервного
копирования всех важных файлов или программ приходится использовать несколько гибких
дисков.
Для этого, безусловно, лучше использовать оптические диски, магнитные носители большой емкости или резервные копии на магнитной ленте. Исторически сложилось так, что ре114
зервные копии на магнитной ленте являются одним из наиболее приемлемых вариантов, поскольку эта технология позволяет переписать содержимое многогигабайтовых жестких дисков
всего лишь на одну кассету для последующего восстановления поврежденных данных.
Сравнение дисковых, ленточных и флэш-технологий памяти
Существует три основных категории сменных носителей: дисковые, ленточные и флэшпамять. Каждый из них предназначен для решения определенного круга задач.
Магнитные дисковые накопители
Если внимательно изучить "чистые" магнитные накопители, а также флоптические или
магнитооптические накопители, то можно заметить, что все типы магнитных дисковых носителей имеют несколько одинаковых характеристик. Дисковые накопители по сравнению с
ленточными стоят дороже (из расчета за мегабайт или гигабайт), обычно имеют меньшую емкость
и более просты в работе с файлами. Дисковые накопители работают в режиме произвольного
доступа, что позволяет находить, использовать, модифицировать или уничтожать любой файл
или группу файлов на диске, не беспокоясь об остальном содержимом диска.
Магнитные ленточные накопители
Ленточные накопители намного дешевле (исходя из расчета за мегабайт или гигабайт),
имеют большую емкость и более просты при создании резервных копий дисков и при работе с
большим количеством разных файлов. Ленточные носители используют последовательный
доступ, а это означает, что содержимое ленты должно считываться с самого начала и отдельные
файлы будут найдены в порядке их записи на ленту. Кроме того, обычно отдельные файлы не
могут быть модифицированы или удалены с ленты; уничтожено или переписано может быть
только содержимое всего картриджа. Таким образом, ленточные носители больше приспособлены для полного дублирования целых жестких дисков, включая все приложения и
данные. Такая способность массового дублирования усложняет запись отдельных файлов на
ленточные носители.
Замечание
Сменный дисковый накопитель тоже может быть использован как системное
устройство резервного копирования. Однако более высокая цена носителя (диска или
картриджа) и, как правило, более низкая скорость работы могут сделать их регулярное
использование несколько утомительным. Дисковые накопители идеально подходят для
резервного копирования отдельных файлов, однако, если необходимо создавать резервные
копии целых дисков, лента окажется более быстрым и экономным решением.
Флэш-память
Новейшим типом сменного накопителя является не основанная на принципе магнетизма
так называемая флэш-память. Это твердотельный чип памяти, который не требует постоянного
питания для хранения информации. Карты флэш-памяти можно легко перемещать из цифровых
камер в портативные либо стационарные компьютеры или даже напрямую подключать к
фотопринтерам. Флэш-память можно использовать для хранения любых цифровых данных,
однако основная область ее применения — цифровая фотография.
Интерфейсы для съемных накопителей
Существует несколько способов подключения этих устройств к компьютеру. Для
внутренних накопителей наиболее распространенным (и одним из самых скоростных)
является интерфейс EIDE (Enhanced IDE), который применяется для подключения
большинства жестких дисков. Интерфейс SCSI (как внутренний, так и внешний) такой же, а
может, и более быстрый, но его использование для большинства систем требует добавления
специального адаптера.
Наиболее удобным и популярным является интерфейс USB (Universal Serial Bus),
который использует возможности носителя эффективнее, чем параллельный порт.
Интерфейс USB сочетает в себе возможность "горячего подключения" с возможностью
использования с операционными системами на стационарных и портативных компьютерах,
имеющих порт USB. Интерфейс USB 1.1 со скоростью передачи данных 12 Мбит/с
полностью подходит для накопителей со сменными носителями, емкость которых не
114
превышает 300 Мбайт. Однако накопители большей емкости следует подключать к более
производительным портам USB 2.0 (480 Мбит/с) или IEEE-1394a (FireWire/i.Link) (400
Мбит/с), если таковые имеются. Флэш-память в основном должна подключаться к устройствам считывания, обычно оснащенным портами USB.
Тема: Устройства оптического хранения данных.
Оптические технологии.
Что такое CD-ROM.
Накопители DVD.
Форматы оптических носителей.
Спецификации и типы накопителей CD/DVD.
Записывающие накопители CD-ROM.
Стандарты перезаписываемых устройств и дисков DVD.
Решение проблем с оптическими накопителями.
Программное обеспечение и драйверы для накопителей CD/DVD.
В настоящее время существует два основных типа хранения данных в
компьютере: магнитный и оптический. Устройства магнитного хранения широко
представлены в современном компьютере - это жесткий диск и дисковод. В них
информация записывается на магнитный вращающийся диск. В устройствах оптического
хранения запись и считывание осуществляются на вращающийся диск с помощью
лазерного луча, а не магнитного поля. Следует отметить, что большинство оптических
устройств могут лишь считывать информацию с носителя. Для удобства изложения
магнитные и оптические носители данных будут в дальнейшем называться просто
дисками.
В некоторых устройствах (например, LS-120/LS-240 или SuperDisk) применятся
магнитный и оптический способ записи и считывания информации. Такие устройства
получили название магнитооптических.
Вероятно, уже в ближайшем будущем оптические компакт-диски CD-RW или
DVD+RW с поддержкой стандарта Easy Write (Mount Rainier) полностью заменят
традиционные гибкие диски. По сути, можно считать, что это уже произошло. В настоящее
время большая часть современных систем включает в себя дисководы CD-RW, а накопители
на гибких дисках используются только для тестирования, диагностики, конфигурирования
системы, ее базовой поддержки, форматирования жесткого диска и подготовки к
инсталляции операционной системы.
Оптические технологии
Стандарты компьютерных оптических технологий можно разделить на две
основные группы:
■ CD (CD-ROM, CD-R, CD-RW);
■ DVD (DVD-ROM, DVD-RAM, DVD-RW, DVD-R, DVD+RW, DVD+R).
Дисководы CD-ROM и DVD получили широкое распространение благодаря
возможности их использования в развлекательных целях. Например, устройства,
созданные на основе стандарта CD, могут воспроизводить музыкальные компакт-диски, а
дисководы DVD - цифровые видеодиски, которые предлагаются в магазинах или
напрокат. Дисководы, в которых используются носители описываемых типов, также
обладают множеством дополнительных возможностей.
CD-ROM {Compact Disc Read-Only Memory - память только для чтения на компактдиске) - это оптический носитель информации, предназначенный только для чтения данных.
Другие форматы CD-R и CD-RW позволяют записывать данные на компакт-диск, а благодаря технологии DVD существенно повышается емкость обычного оптического диска.
Сегодня накопитель CD-ROM - неотъемлемая часть практически любого компьютера.
Исключением служит лишь компьютер, используемый в бизнес-сети. В такой сети
114
существует выделенный сервер с жесткими дисками и накопителем CD-ROM,
предоставленными в совместное использование. Такой способ более экономичен, но
приносит массу неудобств, особенно если сеть предприятия достаточно велика.
Оптический носитель информации CD-ROM предназначен только для чтения; на нем
может храниться до 650 Мбайт данных, что соответствует примерно 333 тыс. страниц текста,
74 минутам высококачественного звучания или их комбинации. Кроме того, новые 80минутные диски содержат уже до 737 Мбайт данных. CD-ROM подобен обычным звуковым
компакт-дискам, и его можно даже попытаться воспроизвести на обычном звуковом
проигрывателе. Правда, при этом вы услышите просто шум, если только аудиодорожки
не предваряют данные на диске. Доступ к данным, хранящимся на CD-ROM,
осуществляется быстрее, чем к данным, записанным на дискетах, но все же значительно
медленнее, чем на современных жестких дисках. Термин CD-ROM относится как к самим
компакт-дискам, так и к устройствам (накопителям), в которых информация считыва ется с компакт-диска.
Сфера применения CD-ROM расширяется очень быстро: если в 1988 году их было
записано всего несколько десятков, то сегодня выпущено сотни тысяч наименований
разнообразных тематических дисков - от статистических данных по мировому
сельскохозяйственному производству до обучающих игр для дошкольников. Множество
мелких и крупных частных фирм и государственных организаций выпускают
собственные компакт-диски со сведениями, представляющими интерес для специалистов
в определенных областях.
Технология записи компакт-дисков
Несмотря на внешнее сходство с компакт-дисками стандарта CD-DA, диски CD-ROM
используются для хранения данных вместо (или помимо) оцифрованных звуковых
записей. Дисководы CD-ROM, используемые в персональных компьютерах для считывания
данных, практически идентичны проигрывателям музыкальных компакт-дисков и
отличаются только измененной электронной схемой, обеспечивающей дополнительные
функции выявления и коррекции ошибок. Это служит гарантией, что данные будут
считываться без ошибок, так как малейший, даже самый незначительный сбой при
воспроизведении звука недопустим так же, как и отсутствие данных в файле.
Компакт-диск представляет собой поликарбонатную пластину диаметром 120 мм и
толщиной 1,2 мм, в центре которой расположено отверстие диаметром 15 мм. Штампованное
или литое основание пластины физически является одной спиральной дорожкой,
которая начинается на внутренней и заканчивается на внешней части диска. Шаг этой
дорожки, или разделение спирали, равен 1,6 микрона (1 микрон - миллионная часть метра
или тысячная часть миллиметра). Для сравнения: шаг физической дорожки
долгоиграющей пластинки составляет примерно 125 микрон. Компакт-диск, если смотреть
на него со стороны считывания (снизу), вращается против часовой стрелки. Если
рассмотреть спиральную дорожку под микроскопом, то станет видно, что она состоит из
приподнятых участков, которые называются впадинами (pits), и плоских поверхностей
между ними, называемых площадками (lands). На первый взгляд может показаться
странным, что приподнятый участок дорожки называется впадиной. Это связано с тем,
что при штамповке диска формовка его верхней части (т.е. профиля дорожки)
осуществляется таким образом, что впадины действительно становятся углублениями,
сделанными в поликарбонатной пластине.
Лазер, используемый для считывания данных компакт-диска, может свободно
пройти сквозь прозрачный пластик, поэтому отформованная поверхность диска
покрывается отражающей металлической пленкой (обычно алюминиевой). После этого
алюминиевая пленка покрывается тонким защитным слоем акрилового лака, на который,
в свою очередь, наносится текст или красочное изображение.
Накопители DVD
114
DVD (Digital Versatile Disc) - это цифровой универсальный диск или, проще говоря,
компакт-диск высокой емкости. Фактически каждый накопитель DVD-ROM является дисководом CD-ROM, т.е. накопители этого типа могут читать как обычные компакт-диски, так
и DVD. Цифровые универсальные диски используют ту же оптическую технологию, что и
компакт-диски, и отличаются только более высокой плотностью записи. Стандарт DVD значительно увеличивает объем памяти и, следовательно, объем приложений, записываемых
на компакт-дисках. Диски CD-ROM могут содержать максимум 737 Мбайт данных (80минутный диск), что на первый взгляд кажется довольно неплохим показателем. К
сожалению, этого уже недостаточно для многих современных приложений, особенно
при активном использовании видео. DVD, в свою очередь, могут содержать до 4,7 Гбайт
(однослойный диск) или 8,5 Гбайт (двухслойный диск) данных на каждой стороне, что
примерно в 11,5 раза больше по сравнению со стандартными компакт-дисками. Емкость
двухсторонних дисков DVD, конечно, в два раза выше односторонних. Однако в
настоящее время для считывания данных со второй стороны приходится переворачивать
диск.
В соответствии с оригинальным стандартом, DVD является односторонним,
однослойным диском и содержит 4,7 Гбайт информации. Новый диск имеет такой же
диаметр, как современные компакт-диски, однако он в два раза тоньше (0,6 мм). Применяя
сжатие MPEG-2, на новом диске можно разместить 135 минут видео - полнометражный
фильм с тремя каналами качественного звука и четырьмя каналами субтитров. Значение
емкости диска не случайно: стандарт создавался в ответ на требования представителей
киноиндустрии, давно искавших недорогую и надежную замену видеокассетам.
Предполагается, что цифровые универсальные диски придут на смену компактдискам и видеокассетам. DVD, приобретенные или взятые напрокат, выполняют те же
функции, что и лента видеомагнитофона, но обеспечивают более высокое качество звука и
изображения. Как и компакт-диски, которые предназначались в первую очередь для
музыкальных записей, DVD могут использоваться для самых разных целей, в том числе и
для хранения компьютерных данных.
Технология DVD
Технология цифровых универсальных дисков (DVD) очень похожа на технологию
компакт-дисков. В обеих технологиях используются штампованные поликарбонатные диски
одного и того же размера (наружный диаметр 120 мм, диаметр центрального отверстия 15
мм, толщина 1,2 мм) со спиральными дорожками, состоящими из впадин и площадок. DVD,
в отличие от обычных компакт-дисков, могут иметь два слоя записи на каждой стороне и
быть одно- или двухсторонними. Каждый слой диска штампуется отдельно, после чего они
объединяются, образуя в итоге диск толщиной 1,2 мм. Технологический процесс
изготовления дисков практически не отличается, помимо того что слои и стороны DVD
штампуются из отдельных поликарбонатных заготовок, которые затем соединяются друг с
другом, формируя законченный диск. Основным различием стандартных компакт-дисков и
DVD является более высокая плотность записи данных, которые считываются лазером с
более короткой длиной волны. Как уже отмечалось, компакт-диски являются
односторонними и имеют только один слой записи. В отличие от них, DVD могут быть
двухсторонними и иметь два слоя записи на каждой стороне.
По аналогии с компакт-дисками каждый слой DVD содержит одну физическую
дорожку, которая начинается на внутренней части диска и доходит по спирали к внешней
части. Цифровой универсальный диск, если смотреть на него со стороны считывания
(снизу), вращается против часовой стрелки. Спиральные дорожки, как и на компактдисках, образованы впадинами (штрихами) и площадками (плоскими участками). Каждый
записанный слой покрывается тонкой металлической пленкой, отражающей лазерный луч.
Благодаря тому что внешний слой имеет более тонкое покрытие, луч проходит через него
и считывает данные, которые записаны на внутреннем слое. Этикетка обычно
114
располагается на верхней части одностороннего диска; на двухстороннем диске для этого
отводится узкая кольцевая поверхность в центральной части.
Считывание информации представляет собой процесс регистрации колебаний луча
маломощного лазера, отраженного от металлического слоя диска. Лазер посылает
сфокусированный луч света на нижнюю часть диска, а светочувствительный рецептор
улавливает уже отраженный луч. Луч лазера, попавший на площадку (плоскую
поверхность дорожки), отражается обратно; в свою очередь, луч, попавший во впадину на
дорожке, обратно не отражается.
Глубина отдельных впадин, образующих дорожку компакт-диска, равна 0,105
микрона, а ширина - 0,4 микрона. Минимальная длина впадин или площадок составляет
примерно 0,4 микрона, максимальная — 1,9 микрона (на однослойных дисках).
Тема: Установка и конфигурирование накопителей.
Установка оптического накопителя.
Установка накопителей любых типов.
Форматирование.
Замена существующего диска.
Установка жесткого диска.
Установка жесткого диска
Для того чтобы установить жесткий диск в компьютер, необходимо выполнить
следующие действия:
■ настроить накопитель;
■ настроить контроллер или интерфейсное устройство;
■ установить накопитель в корпус компьютера;
■ настроить систему в целом;
■ выполнить логическую разбивку диска;
■ выполнить форматирование высокого уровня.
Прежде чем приступать к установке жесткого диска, изучите документацию к
накопителю, контроллеру или основному адаптеру, системной BIOS и некоторым другим
устройствам компьютера.
Конфигурация накопителя
Перед монтажом накопителя его необходимо сконфигурировать. Для большинства
накопителей IDE следует установить переключатель "ведущий-ведомый" или же
использовать возможность Cable Select, а для устройства SCSI — выбрать его ID.
Для настройки накопителей Serial ATA не требуется перемычек. Эти перемычки,
имеющиеся в некоторых накопителях SATA, обычно устанавливаются непосредственно на
заводе. Каждый накопитель SATA подключается к хост-адаптеру SATA с помощью
собственного кабеля, образуя таким образом соединение типа "точка-точка". В отличие от
накопителей, созданных на основе параллельного интерфейса АТА, в этом соединении
нет ни ведущих, ни подчиненных устройств. Некоторые хост-адаптеры Serial ATA
эмулируют конфигурацию "главный/подчиненный", что обеспечивает совместимость с
другими устройствами.
Конфигурация контроллера
В старых моделях накопителей контроллер устанавливается в разъем системной
платы. Практически все современные накопители IDE имеют встроенный контроллер. Такой
накопитель конфигурируется с помощью программы установки параметров BIOS.
Некоторые системные платы не поддерживают накопители Ultra-АТА/33 или UltraАТА/66/100/133. Прежде чем устанавливать такой накопитель в компьютер, удостоверьтесь,
что системная плата поддерживает этот класс устройств. Установка платы адаптера SATA
позволяет подключать накопители SATA к системе со стандартным интерфейсом АТА. При
114
наличии хост-адаптера SATA, встроенного в системную плату, дополнительная плата не
требуется.
Для устройств SCSI необходима плата адаптера, помещаемая в разъем системной
платы. В некоторых системных платах уже интегрирован адаптер SCSI. Чтобы
сконфигурировать адаптер SCSI, необходимо установить следующие параметры:
■ адреса BIOS;
■ каналы прямого доступа к памяти (DMA);
■ сигналы запроса на прерывание (IRQ);
■ адреса портов ввода-вывода.
Следует отметить, что не каждый адаптер использует все параметры, некоторым
достаточно лишь одного из приведенного списка. В большинстве случаев необходимые
ресурсы будут выделены автоматически BIOS и операционной системой.
В системах, не удовлетворяющих стандарту Plug and Play, настройку адаптеров
приходится выполнять вручную, причем нужно точно знать, какие именно ресурсы
необходимы для каждой конкретной платы. Настройка осуществляется путем установки
соответствующих переключателей.
Накопитель IDE использует BIOS системной платы, и она обеспечивает возможность
загрузки с этого типа устройств. В адаптерах накопителей SCSI устанавливается ROM BIOS,
которая позволяет выполнять загрузку системы с этого устройства.
Если накопитель SCSI не используется для загрузки системы, можете отключить его
ROM BIOS с помощью перемычек или переключателей. При этом необходимо загружать
стандартный драйвер устройства операционной системы для доступа к накопителю.
Кроме обеспечения загрузки, в ROM BIOS адаптера SCSI записаны программы,
реализующие многие функции:
■ форматирование низкого уровня;
■ управление накопителем конкретного типа (в зависимости от его параметров);
■ конфигурацию адаптера;
■ диагностику;
■ поддержку нестандартных адресов портов ввода-вывода и прерываний.
Если в системной BIOS предусмотрена поддержка контроллера жесткого диска, то
наличие встроенной BIOS нежелательно, поскольку для нее отводится адресное
пространство в области верхней памяти. Для размещения используемой встроенной BIOS
необходимо адресное пространство в области верхней памяти, занимающей последние 384
Кбайт в пределах первого мегабайта системной памяти. Верхняя память разделена на три
участка по два сегмента размером по 64 Кбайт каждый, причем первый участок отводится
для памяти видеоадаптера, а последний — для системной BIOS. Сегменты C000h и D000h
зарезервированы для BIOS адаптеров.
Конфигурация системы
После того как жесткий диск в корпусе компьютера будет смонтирован, можете
приступать к конфигурированию системы. Компьютеру необходимо сообщить
информацию о накопителе, чтобы с него можно было осуществить загрузку при
включении питания. Способ ввода и сохранения этой информации зависит от типа
накопителя и компьютера. Для большинства жестких дисков (за исключением SCSI)
существуют стандартные процедуры настройки. Конфигурирование накопителей SCSI —
сложная операция, которая зависит от типа установленного основного адаптера. Проще
всего выполнить ее так, как предлагается в инструкциях, прилагаемых к основным
адаптерам.
Автоматическое определение типа накопителя
Практически для всех накопителей ATA в современных BIOS предусмотрено автоматическое определение типов, т.е. из накопителя по запросу системы считываются его
характеристики и необходимые параметры. При таком подходе практически исключены
ошибки, которые могут быть допущены при вводе параметров вручную.
114
Ручное определение типа накопителя
Если BIOS вашей системной платы не поддерживает функцию автоматического
определения типа накопителя, вы можете ввести его параметры вручную. Для этого
предусмотрен так называемый определяемый пользователем тип устройства. Это
означает, что вы можете ввести набор параметров (таких, как количество цилиндров,
головок, секторов на дорожке и т.д.), соответствующий конкретному жесткому диску.
Как правило, параметры накопителя можно найти в техническом описании.
Форматирование
От
правильного
выполнения
настройки
и
форматирования
зависит
производительность и надежность жесткого диска. В данном разделе рассматриваются
процедуры, с помощью которых форматирование диска выполняется корректно.
Используйте эти процедуры при установке в компьютер нового накопителя.
Форматирование накопителя на жестком диске выполняется в три этапа.
1. Форматирование низкого уровня.
2. Организация разделов.
3. Форматирование высокого уровня.
Форматирование низкого уровня
При "истинном" форматировании низкого уровня на диске формируются дорожки
и секторы. Во время выполнения этой процедуры служебная информация записывается
на всей поверхности диска. Неправильно выполненное форматирование приведет к
потере данных и частым ошибкам при их считывании и записи. Как правило, такое
форматирование уже выполнено производителем диска и повторное его выполнение
необходимо лишь в крайних случаях. Для форматирования низкого уровня необходимо
использовать специальные программы (лучше всего программы производителя или же
других разработчиков, например Disk Manager от Ontrack или Microscope от Micro 2000).
Форматирование низкого уровня накопителей SCSI
Накопители SCSI поставляются пользователю в предварительно отформатированном
виде, поэтому при отсутствии каких-либо проблем, связанных с данным накопителем,
вам не придется самостоятельно выполнять эту операцию. При форматировании низкого
уровня накопителей SCSI следует воспользоваться программой LLF, которая
предоставляется изготовителем контроллеров SCSI. Конструкции этих устройств различны,
поэтому программа регистрового уровня будет работать только в том случае, если она
адаптирована под определенный контроллер. К счастью, все контроллеры SCSI
поставляются вместе с соответствующим программным обеспечением, необходимым для
форматирования низкого уровня. Это программное обеспечение либо включено в BIOS
контроллера, либо находится на прилагаемом программном диске.
Для дисков SCSI программа форматирования низкого уровня встроена в BIOS
адаптера или же поставляется отдельно. Универсальные средства такого форматирования
для дисков SCSI применять не рекомендуется.
Форматирование низкого уровня накопителей A TA
При выполнении настоящего форматирования низкого уровня не рекомендуется
использовать универсальные программы неразрушающего форматирования, работающие
на уровне BIOS (например, Calibrate и SpinRite). Эти программы имеют некоторые
ограничения, снижающие их эффективность; иногда при их использовании возникают
проблемы, связанные со способом обработки дефектов. Указанные программы
выполняют форматирование последовательно по дорожкам с использованием функций
BIOS, в ходе работы создавая резервные копии дорожек, а затем восстанавливая их. На
самом деле эти программы выполняют неполное форматирование, так как даже не
пытаются отформатировать первую дорожку (цилиндр 0, головка 0). Это ограничение
связано с тем, что некоторые типы контроллеров записывают на первой дорожке скрытую
служебную информацию.
114
Программа форматирования низкого уровня работает в обход системной BIOS и
отсылает команды непосредственно в регистры контроллера. Именно поэтому многие из
этих программ ориентированы на конкретные контроллеры. И практически невозможно
создать универсальную программу форматирования, которая могла бы работать с
различными типами контроллеров. Нередко накопители признавались дефектными
только потому, что использовалась программа форматирования, которая выдавала
ошибочный результат.
Организация разделов жесткого диска
Разбивка накопителя — это определение областей диска, которые операционная
система будет использовать в качестве отдельных разделов, или томов.
При организации разделов диска в его первый сектор (цилиндр 0, головка 0, сектор 1)
заносится главная загрузочная запись (Master Boot Record — MBR). В ней содержатся
сведения о том, с каких цилиндров, головок и секторов начинаются и какими заканчиваются
имеющиеся на диске разделы. В этой таблице также содержатся указания для системной
BIOS, какой из разделов является загрузочным, т.е. где следует искать основные файлы
операционной системы.
Для разбивки накопителей на жестких дисках необходимо использовать
программу FDISK из поставок операционных систем Windows 9х или DOS. При ее
выполнении в загрузочный сектор (первый сектор на диске, в который заносится главная
загрузочная запись) записывается таблица разбивки, что необходимо для нормальной
работы программы Format. Перед установкой любой операционной системы
необходимо разбить диск на разделы. В Windows 2000/XP вместо FDISK используется
программа для командной строки DISKPART, а также консоль ММС Управление диском
(Disk Management).
Все версии программы FDISK (Windows и DOS) позволяют создавать два различных
типа разделов диска: основной и дополнительный. Основной раздел может быть
загрузочным, а дополнительный нет. Если в компьютере установлен один жесткий диск,
то, как минимум, часть этого диска должна быть основным разделом при условии, что
компьютер будет загружаться с этого жесткого диска. Основному разделу назначается
буква С: диска, а дополнительным — остальные буквы: D:, Е: и т.д. Один дополнительный
раздел может содержать одну букву диска (логический диск DOS) или же несколько
логических дисков.
Термин "логический диск DOS" не подразумевает использования только DOS —
может использоваться любая операционная система: Windows 95, 98, Me, NT, 2000, XP, 2003
Server, Linux и т.д.
Разбивать диск на разделы необходимо и в целях безопасности данных. Например,
диск можно разделить по следующей схеме:
C: — операционная система; D: — приложения; E: — данные.
В этом случае будут созданы основной и дополнительный разделы, а в
дополнительном разделе будет создано два логических диска.
При такой схеме разделения диска данные будут в относительной безопасности —
крах дисков C: и D: на них не повлияет. Кроме того, упрощается процедура резервного
копирования данных: создается копия диска E:, а не папок, разбросанных по нескольким
дискам.
4.
5.
6.
7.
8.
114
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА СТУДЕНТА
Используемые системы счисления
Виды систем счисления
Триггеры D и Т
Технологии изготовления микросхем.
9.
Элементная база
10.
Составные части ЭВС
11.
Процессоры с технологией TH
12.Защищенный режим работы процессора
13.Регистры общего назначения
14.Принципы работы АЛУ
15.Технологии энергосбережения процессоров
16.Дополнительные функции и технологии в современных процессоров
AMD и Intel
17.Чипсет
18.Виды памяти.
19.Назначение ПЗУ
20.Диагностика памяти.
21.
Тайминги и их влияние на производительность
22.
Современные интерфейсы
23.
Интерфейс RS-232
24.
Интерфейс USB
25.
Интерфейс FireWire
26.Классификация архитектуры ВС по Хендлеру, Хокни, Шора,
27. Процессоры будущего.
28.Охарактеризуйте принципы функционирования машин типа
wavefront и reduction
29.Общая характеристика и область использования супер ЭВМ и
мэйнфреймов.
30.Кластерное решение SGI
31.Кластерное решение HP
32.Кластерные решения IBM
114