Информатика: конспект лекций

2.3. Память в персональных компьютерах

Мощность компьютера зависит от его архитектуры и определяется не только тактовой частотой процессора. На быстродействие систем также влияют скорость функционирования памяти и пропускная способность шины.

Организация взаимодействия ЦП и ОП зависит от памяти компьютера и набора микросхем, установленных на системной плате.

Запоминающие устройства используются для хранения информации. В их функции входят ее запись и считывание. В совокупности эти функции называют обращением к памяти.

Одними из самых важных характеристик памяти являются емкость и время доступа. Чаще всего в ЗУ входит множество одинаковых запоминающих элементов. Такими элементами ранее служили ферритовые сердечники, которые объединялись в разрядную матрицу памяти. В настоящее время запоминающими элементами ОП служат большие интегральные микросхемы (БИС).

При обработке информации процессором возможно обращение к любой ячейке ОП, на основании этого ее называют памятью с произвольным доступом, или RAM. Обычно ПК обладают ОП, которая выполняется на микросхемах динамического типа, с ячейками, собранными в матрицу.

В памяти статического типа информация находится на статических триггерах. Для статической памяти не применяются циклы регенерации и операции перезарядки, т. е. время доступа к статической памяти намного меньше, чем к динамической. Скорость работы процессора сильно зависит от быстродействия используемой ОП. При этом она оказывает влияние на производительность всей системы. Для реализации одного запоминающего элемента динамической памяти требуется 1–2 транзистора, для статической – 4–6, т. е. стоимость статической памяти значительно превышает стоимость динамической. На основании этого в ПК чаще всего применяется ОП динамического типа, а для повышения производительности системы – сверхоперативная, или кэш-память. Сверхоперативную память изготавливают на элементах статического типа. При этом блок данных, обрабатываемых процессором, размещается в кэш-памяти, но обращение к ОП происходит только при появлении потребности в данных, не содержащихся в кэш-памяти. Использование кэш-памяти позволяет согласовать по скорости работу процессора и ОП на элементах динамического типа.

Интегральные микросхемы памяти в небольших количествах выпускают японские, корейские, американские и европейские компании.

Постоянные запоминающие устройства, или ROM, предназначены для хранения BIOS, который, в свою очередь, обеспечивает инвариантность программных средств к архитектуре системной платы. Кроме того, в BIOS находится необходимый набор программ ввода-вывода, обеспечивающий работу периферийных устройств.

В состав ПЗУ кроме программ ввода-вывода входят:

• программа тестирования при включении компьютера POST;

• программа начального загрузчика, выполняющего функцию загрузки ОС с диска.

Вследствие снижения цен на перепрограммируемые ПЗУ для хранения BIOS применяются запоминающие элементы, информацию в которых можно стирать электрически или с помощью ультрафиолетового излучения. В настоящий момент чаще всего для этих целей используют флэш-память, позволяющую вносить исправления в BIOS.

2.4. Понятие команды и системное программное обеспечение ЭВМ

Всякая компьютерная программа является последовательностью отдельных команд. Командой называется описание операции, которую выполняет компьютер. Обычно у команды существует свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат. Совокупность команд, которые выполняет данный компьютер, представляет собой систему команд данного компьютера.

Программное обеспечение компьютера – это совокупность программ, процедур и инструкций, а также связанная с ними техническая документация, позволяющие использовать ЭВМ для решения конкретно поставленных задач.

По областям применения программное обеспечение компьютера подразделяют на системное и прикладное.

Системное, или общее, программное обеспечение выступает в качестве «организатора» всех компонент компьютера, а также подключенных к нему внешних устройств.

В составе системного программного обеспечения выделяют две компоненты:

1) операционную систему – целый комплекс управляющих программ, являющихся интерфейсом между компонентами ПК и обеспечивающих наиболее эффективное использование ресурсов ЭВМ. Операционная система загружается при включении компьютера;

2) утилиты – вспомогательные программы технического обслуживания.

К утилитам относятся:

• программы для диагностики компьютера – проверяют конфигурацию компьютера и работоспособность его устройств; прежде всего осуществляется проверка жестких дисков на наличие ошибок;

• программы для оптимизации дисков – обеспечивают более быстрый доступ к информации, хранящейся нажестком диске, за счет оптимизации размещения данных на нем. Процесс оптимизации данных на жестком диске более известен как процесс дефрагментации диска;

• программы для очистки диска – находят и удаляют ненужную информацию (например, временные файлы, временные интернет-файлы, файлы, расположенные в корзине, и др.);

• программы-кэши для диска – ускоряют доступ к данным на диске путем организации в ОП компьютера кэш-буфера, содержащего наиболее часто используемые участки диска;

• программы динамического сжатия дисков – увеличивают объем информации, хранимой на жестких дисках, путем ее динамического сжатия. Действия данных программ для пользователя не заметны, они проявляются только через увеличение емкости дисков и изменение скорости доступа к информации;

• программы-упаковщики (или архиваторы) – упаковывают данные на жестких дисках за счет применения специальных методов сжатия информации. Данные программы позволяют освободить значительное место на диске за счет сжатия информации;

• антивирусные программы – предотвращают заражение компьютерным вирусом и ликвидируют его последствия;

• системы программирования – комплекс программ для автоматизации процесса программирования сценариев работы ЭВМ.

Прикладное программное обеспечение представляет собой специальные программы, которые применяются при решении определенных практических задач. В настоящее время программистами разработано множество прикладных программ, применяемых в математике, бухгалтерии и других областях науки.

2.5. Базовая система ввода-вывода (BIOS). Понятие CMOS RAM

Вазовая система ввода-вывода (Basic Input Output System – BIOS) является, с одной стороны, составной частью аппаратных средств, с другой – одним из программных модулей ОС. Возникновение данного названия связано с тем, что BIOS включает в себя набор программ ввода-вывода. С помощью этих программ ОС и прикладные программы могут взаимодействовать как с различными устройствами самого компьютера, так и с периферийными устройствами.

Как составная часть аппаратных средств система BIOS в ПК реализована в виде одной микросхемы, установленной на материнской плате компьютера. Большинство современных видеоадаптеров и контроллеров-накопителей имеют собственную систему BIOS, которая дополняет системную BIOS. Одним из разработчиков BIOS является фирма IBM, создавшая NetBIOS. Данный программный продукт не подлежит копированию, поэтому другие производители компьютеров были вынуждены использовать микросхемы BIOS независимых фирм. Конкретные версии BIOS связаны с набором микросхем (или чипсетом), находящихся на системной плате.

Как программный модуль ОС система BIOS содержит программу тестирования при включении питания компьютера POST (Power On Self Test – самотестирование при включении питания компьютера). При запуске этой программы тестируются основные компоненты компьютера (процессор, память и др.). Если при подаче питания компьютера возникают проблемы, т. е. BIOS не может выполнить начальный тест, то извещение об ошибке будет выглядеть как последовательность звуковых сигналов.

В «неизменяемой» памяти CMOS RAM хранится информация о конфигурации компьютера (количестве памяти, типах накопителей и др.). Именно в этой информации нуждаются программные модули системы BIOS. Данная память выполнена на основе определенного типа CMOS-структур (CMOS – Complementary Metal Oxide Semiconductor), которые характеризуются малым энергопотреблением. Память CMOS энергонезависима, так как питается от аккумулятора, расположенного на системной плате, или батареи гальванических элементов, смонтированной на корпусе системного блока.

Изменение установок в CMOS выполняют через программу SETUP. Ее можно вызвать путем нажатия специальной комбинации клавиш (DEL, ESC, CTRL-ESC, или CRTL-ALT-ESC) во время начальной загрузки (некоторые BIOS позволяют запускать SETUP в любое время нажатием CTRL-ALT-ESC). В AMI BIOS чаще всего это осуществляется нажатием клавиши DEL (и удержанием ее) после нажатия кнопки RESET или включения ЭВМ.

Тема 3

Архитектура аппаратных и программных средств IBM-совместимых технологий

3.1. Микропроцессоры

Центральный процессор – неотъемлемая часть любой ЭВМ. Обычно это большая интегральная схема, представляющая собой кремниевый кристалл в пластмассовом, керамическом или металлокерамическом корпусе, на котором расположены выводы для приема и выдачи электрических сигналов. Функции ЦП выполняют микропроцессоры. Они осуществляют вычисления, пересылку данных между внутренними регистрами и управление ходом вычислительного процесса. Микропроцессор взаимодействует непосредственно с ОП и контроллерами системной платы. Главные носители информации внутри него – регистры.

Неотъемлемой частью микропроцессора являются:

• АЛУ, состоящее из нескольких блоков, например блока обработки целых чисел и блока обработки чисел с плавающей точкой;

• устройство управления, которое вырабатывает управляющие сигналы для выполнения команд;

• внутренние регистры.

В основу работы каждого блока микропроцессора положен принцип конвейера, который заключается в следующем. Реализация каждой машинной команды разбивается на отдельные этапы, а выполнение следующей команды программы может быть начато до завершения предыдущей. Поэтому микропроцессор выполняет одновременно несколько следующих друг за другом команд программы, и время на выполнение блока команд уменьшается в несколько раз. Суперскалярной называют архитектуру, в основу работы которой положен принцип конвейера. Это возможно при наличии в микропроцессоре нескольких блоков обработки.

В программе могут встречаться команды передачи управления, выполнение которых зависит от результатов выполнения предшествующих команд. В современных микропроцессорах при использовании конвейерной архитектуры предусматриваются механизмы предсказания переходов. Другими словами, если в очереди команд появилась команда условного перехода, то предсказывается, какая команда будет выполняться следующей до определения признака перехода. Выбранная ветвь программы выполняется в конвейере, однако запись результата осуществляется только после вычисления признака перехода, тогда, когда переход выбран верно. В случае неправильного выбора ветви программы микропроцессор возвращается назад и выполняет правильные операции в соответствии с вычисленным признаком перехода.

Важными характеристиками микропроцессора являются:

• его быстродействие, которое в значительной степени зависит от тактовой частоты микропроцессора;

• архитектура микропроцессора, определяющая, какие данные он может обрабатывать, какие машинные инструкции входят в набор выполняемых им команд, как происходит обработка данных, каков объем внутренней памяти микропроцессора.

В состав микропроцессора может входить кэш-память (сверхоперативная), обеспечивающая более быструю передачу информации, чем ОП. Различают кэш-память первого уровня, которая обычно встроена в тот же кристалл и работает на одинаковой с микропроцессором частоте; кэш-память второго уровня – общая, когда команды и данные хранятся вместе, и разделенная, когда они хранятся в разных местах.

При решении сложных математических и физических задач в некоторых компьютерах предусмотрено использование специального устройства, которое называется математическим сопроцессором. Это устройство представляет собой специализированную интегральную микросхему, работающую во взаимодействии с ЦП и предназначенную для выполнения математических операций с плавающей точкой.

3.2. Системные платы. Шины, интерфейсы

Основная электронная часть ПК конструктивно располагается в системном блоке. Системный блок может быть нескольких размеров и типов, например настольным, типа «башня». Различные компоненты компьютера внутри системного блока размещаются на системной плате, которую именуют материнской.

Материнская плата играет значительную роль, так как от ее характеристик во многом зависит работа ПК. Существует несколько типов системных плат, которые обычно предназначены для конкретных микропроцессоров. Выбор системной платы во многом определяет возможности будущей модернизации компьютера. Выбирая системную плату, необходимо учитывать следующие ее характеристики:

• возможные типы используемых микропроцессоров с учетом их рабочих частот;

• число и тип разъемов системной шины;

• базовый размер платы;

• возможность наращивания оперативной и кэш-памяти;

• возможность обновления базовой системы ввода-вывода (BIOS).

На системной плате располагаются одна или несколько интегральных микросхем. Они управляют коммуникациями между процессором, памятью и устройствами ввода-вывода. Их называют системным набором микросхем (chipset).

Наибольшим спросом среди микросхем пользуются Intel 440LX, Intel 440ВХ. Самым крупным производителем системных плат является фирма Intel, которая ввела большинство технологических и технических новшеств для системных плат. Однако изделия фирмы Intel недешевы.

Непосредственно на системной плате находится системная шина, которая предназначена для передачи информации между процессором и остальными компонентами ПК. С помощью шины происходит как обмен информацией, так и передача адресов, служебных сигналов.

В IBM PC-совместимых компьютерах вначале использовалась 16-разрядная шина, работающая с тактовой частотой 8 МГц. После появления новых микропроцессоров и высокоскоростных периферийных устройств был предложен новый стандарт – шина МСА с более высокой тактовой частотой. Она содержала функции арбитража, позволяющие избегать конфликтных ситуаций при совместной работе нескольких устройств. В этой шине увеличена пропускная способность и достигнута большая компактность, а разрядность шины МСА-16 и 32.

В 1989 г. была разработана шина EISA, фактически ставшая надстройкой ISA. Данная шина применялась в основном в высокопроизводительных серверах и профессиональных рабочих станциях, предъявляющих высокие требования к быстродействию.

Чтобы увеличить производительность системы, с 1991 г. стали использовать так называемые локальные шины. Они связывали процессор непосредственно с контроллерами периферийных устройств и тем самым увеличивали общее быстродействие ПК. Среди локальных шин наибольшей известностью пользуется шина VL-bus, которая была ориентирована на ПК с микропроцессорами семейства i486, хотя может также работать и с процессорами Pentium.

Процессорно-независимая шина PCI работает с тактовой частотой 33 МГц и обладает высокой скоростью передачи данных. Специально для этой шины выпущены многие адаптеры периферийных устройств – видеоплаты, контроллеры дисков, сетевые адаптеры и др.

Для работы с графическими и видеоданными разработали шину AGP, более быструю, чем PCI. Шина AGP напрямую соединяет графический адаптер с оперативной памятью ПК, а это очень важно при работе с видео-, двух– и трехмерными приложениями; функционирует она на частоте 66 МГц.

Периферийные устройства подключаются к системной шине с помощью контроллеров или адаптеров. Адаптеры представляют собой специальные платы, различные для разных типов периферийных устройств.

3.3. Средства управления внешними устройствами

Внешние устройства обеспечивают ввод, вывод и накопление информации в ПК, взаимодействуют с процессором и ОП через системную или локальную шину, а также через порты ввода-вывода. Они размещаются как вне системного блока (клавиатура, мышь, монитор, принтер, внешний модем, сканер), так и внутри него (накопители на дисках, контроллеры устройств, внутренние факс-модемы). Часто внешние устройства называют периферийными, хотя в узком смысле термин «периферийные» означает часть устройств, обеспечивающих ввод и вывод информации (клавиатуру, координатные манипуляторы, сканеры, принтеры и т. д.).

Большинство внешних устройств для IBM-совместимых ПК управляется контроллерами, которые установлены в разъемы расширения материнской платы. Контроллером называется плата, которая управляет работой конкретного типа внешних устройств и обеспечивает их связь с системной платой. Большинство контроллеров являются платами расширения системы, исключение могут составлять контроллеры портов и накопителей на гибких и жестких магнитных дисках, встраиваемых непосредственно в материнскую плату. В ранних моделях IBM-совместимых ПК данные контроллеры обычно размещались на отдельной плате, именуемой мультиплатои или мультикартой. Иногда в портативных компьютерах в материнскую плату встраиваются и другие контроллеры, в том числе видеоадаптеры и звуковые платы.

Платы расширения, называемые дочерними платами, устанавливаются на материнскую плату. Они предназначены для подключения к шине ПК дополнительных устройств, а материнская плата обычно имеет от 4 до 8 разъемов расширения. В соответствии с разрядностью процессора и параметрами внешней шины данных материнской платы они бывают 8-, 16– и 32-разрядные.

Дочерние платы подразделяют на два вида:

1) полноразмерные, т. е. такойже длины, как и материнская плата;

2) полуразмерные, т. е. в два раза короче.

В разъемы расширения могут быть установлены любые дочерние платы, если они согласованы с шиной по управлению, разрядности и питанию.

Последовательный порт передает информацию по одному биту, а через последовательные порты подключаются такие устройства, как мышь, внешний модем и плоттер.

Важнейшими типами плат расширения являются:

1) видеоадаптеры (необходимы для нормального функционирования ПК);

2) внутренние модемы (требуются для использования внутренних модемов);

3) звуковые платы (предназначены для систем мультимедиа);

4) адаптеры локальной сети (необходимы при использовании компьютера в среде локальной вычислительной сети).

Помимо перечисленных используются и другие типы плат расширения:

• управления сканером;

• управления стримером;

• интерфейс SCSI;

• контроллеры устройств виртуальной реальности;

• АЦП;

• устройства считывания штрихового кода;

• управление световым пером;

• связи с большими ЭВМ;

• платы акселераторов.

В ПК предусмотрены специальные контроллеры ввода-вывода, который реализуется через порты ввода-вывода.

Последовательный порт передает информацию по одному биту, а параллельный передает информацию побайтно. Через последовательные порты подключаются такие устройства, как мышь, внешний модем и плоттер.

3.4. Накопители информации

Прибор, предназначенный для длительного хранения значительных объемов информации, называется накопителем или внешним запоминающим устройством, устройством массовой памяти.

В зависимости от размещения в ПК различают накопители:

1) внешние, которые находятся вне системного блока и имеют собственный корпус, источник питания, а также выключатель и кабель;

2) внутренние, которые находятся на монтажной стойке системного блока компьютера. Данные устройства не обладают собственным корпусом и подключаются к контроллеру накопителей и источнику питания ПК.

По способу записи различают устройства произвольного и последовательного доступа.