Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Принципы построения компьютера





Поколения компьютеров

Появление ЭВМ прежде всего диктовалось потребностями физических и инженерных наук. Успехи этих наук в свою очередь приводили к совер­шенствованию ЭВМ. Приблизительно каждые 10 лет происходил качествен­ный скачёк в развитии вычислительной техники, поколение сменялось новым поколением.

Признаки, отличающие одно поколение ЭВМ от другого:

· элементная база;

· быстродействие;

· объём оперативной памяти;

· устройства ввода/вывода;

· программное обеспечение.

Итак, историю вычислительных машин принято рас­смат­ривать по по­ко­лениям.

Первое поколение ЭВМ (1946-1954) - это время становления архитек­туры ма­шин фон-нейма­новского типа, построенных на электронныхлампах с быст­ро­дейст­вием около 2-10 тыс. арифме­тических операций в секунду и объ­емом ОП до 2 Кбайт. Программные сред­ства были представ­лены машинным язы­ком конкретной машины и языком «ас­семблер». Для ввода-вывода ис­пользовались перфоленты, перфокарты, магнитные барабаны и печа­тающие уст­ройства. Начало работ по созданию компьютеров в СССР относится к 1948 г. К первому поколению отно­сится оте­чест­венная вы­чис­литель­ная ма­шина МЭСМ (малая электронная счетная машина), созданная в 1951 г. под руково­дством Сергея Александровича Лебедева. Кроме машин серий МЭСМ и БЭСМ (БЭСМ-1 - большая электронная счетная ма­шина), в СССР выпус­кались ма­шины других серий (например, Урал-1, М-1), созданные под руково­дством И.С.Брука и М.А.Карцева, Б.И.Рамеева, В.М.Глушкова, Ю.А.Базилевского и других отечествен­ных конструк­торов и теоретиков ин­форматики. Несмотря на ог­раниченность воз­можностей, эти машины позво­лили выполнить слож­нейшие рас­чёты, необходимые для прогнози­ро­вания по­годы, космических исследований, решений задач атомной энерге­тики и др.



Второе поколение ЭВМ (1955-1964)- это использование транзистора в ка­че­стве пере­ключательного элемента (вместо электронной лампы) с быстро­дейст­вием 100-150 тыс. опера­ций в секунду и ОП до 32 Кбайт. Внеш­ние устройства были примерно такие же, как в компьютерах первого поколе­ния. В это время были разработаны ал­горитмиче­ские языки высокого уровня, такие как Алгол, Кобол, Фортран, кото­рые позволили состав­лять программы, не учи­ты­вая тип ма­шины. Появились мо­ниторные системы, управляющие режимом исполнения программ из которых в дальнейшем выросли совре­менные операционные системы. В Советском Союзе к этому поколе­нию от­носятся машины Минск-22, Минск-32, М222, БЭСМ-6. У ЭВМ БЭСМ-6 (од­ной из лучших машин своего времени) бы­стро­действие составляло мил­лион опе­ра­ций в секунду. Машинам вто­рого поколения была свойственна про­граммная не­совместимость, которая затруд­няла организацию крупных ин­форма­ционных сис­тем.

Третье поколение ЭВМ (1965-1979) характеризуется тем, что вместо тран­зи­сторов стали использоваться интегральные схемы (ИС). Для по­выше­ния эффек­тив­ности использова­ния центрального процес­сора возникла необ­ходимость в сис­тем­ной программе, управляющей цен­траль­ным процессором, и в этой связи была соз­дана операционная система(ОС). Быстродействие машин внутри семейства изменя­ется от нескольких десятков тысяч до мил­лионов операций в секунду и ОП порядка 64 Кбайт. Вы­числи­тельные ма­шины третьего поколе­ния, как правило, образуют серии (се­мей­ства) ма­шин, со­вместимых программно. Первым таким семейством машин третьего поколе­ния была выпущенная в 1965г. в США серия IBM/360. Она имела свыше семи моде­лей. В Советском Союзе по­добную серию составляли ма­шины семейства ЕС ЭВМ (Единая Система ЭВМ).

В 1970 г. фирма Intel сконструировала интегральную схему, ана­логич­ную по своим функциям центральному процессору большой ЭВМ, т.е. был создан микропроцессор Intel - 4004. Ко­нечно, его возможности были куда скромнее, чем у центрального процессора боль­шой ЭВМ, но стоил он в де­сятки тысяч раз де­шевле (он мог обрабатывать одновременно только 4 бита информации, тогда как процес­соры больших ЭВМ обрабатывали 16, 32 и более бит одновременно). В 1973 г. эта же фирма выпус­тила 8-битовый микропроцессор Intel - 8008, а в 1974 г. - его усо­вершенство­ванную версию Intel - 8080, которая до конца 70-х гг. стала стандартом для мик­рокомпью­терной ин­дустрии. Существенным шагом вперед стало соз­дание микро­про­цессора 80286 (или сокра­щенно 286), который использо­вался в каче­стве ба­зового для целой серии ПК. В дальнейшем Intel разработала 386-й про­цессор, главным преиму­щест­вом которого была возможность ра­ботать с 32 би­то­выми дан­ными. Затем появился 486-й микро­процессор, который был в 2-4 раза произ­води­тельнее МП 80386. Следующим шагом в развитии микропро­цес­сорной техники было появле­ние 586 микро­про­цессора (Pentium) фирмы Intel.

Четвертое поколение ЭВМ (1980 - по настоящее время) - это ма­шины, по­строенные на больших (БИС) и сверхбольших интегральных схемах (СБИС). Та­кие схемы содержат до миллионов элементов на кристалле. ЭВМ этого по­коле­ния вы­полняют сотни миллионов опе­раций в секунду. Появи­лись микропроцес­соры, спо­собные обрабатывать данные длиной в 32 и 64 бита. C точки зрения структуры ма­шины этого поколения представляют со­бой многопроцессорные и многома­шин­ные комплексы. Наиболее важный критерий, по которому эти компьютеры можно отделить от машин третьего поко­ления, состоит в том, что машины чет­вёртого по­коления проектирова­лись в рас­чете на эффективное использование со­временных высокоуровне­вых языков и упро­щение процесса программирования для конеч­ного пользо­вателя. Для них ха­рактерны: применение персональных компьютеров, теле­ком­муникационная обра­ботка данных, компьютерные сети, широ­кое приме­не­ние систем управления базами данных, элементы интел­лектуального пове­дения сис­тем обработки данных и устройств.

Пятое поколение ЭВМ (в настоящее время на рынке еще не появи­лись). В конце 80-х гг. была поставлена задача разра­ботки принципиально новых ком­пью­те­ров. Отличительными чертами ЭВМ нового поколения явля­ются: новая техноло­гия производства, отказ от архитек­туры фон Неймана, пе­реход к новым архитек­турам (например, на архитек­туру потока данных). И, как следст­вие этого, превра­щение ЭВМ в многопро­цес­сорную систему с новыми спосо­бами ввода-вы­вода ин­формации, удобными для пользователя (например, распо­знава­ние речи и обра­зов); с применением искусст­венного ин­теллекта, авто­матизации процессов решения задач, получения выво­дов, манипули­рования знаниями. Пока компьютеры этого по­коление на­ходится в стадии экспе­риментальных раз­работок.

Классификация ВМ

Многообразие свойств и характеристик порождает различные виды класси­фика­ции вычислительных машин. Их делят: по этапам развития, по принципу дей­ствия, по назначению, по производительности и функциональ­ным возможностям, по усло­виям эксплуатации, по количеству процессоров и т.д. Четких границ между клас­сами компьютеров не существует.По мере со­вершенствования структур и техно­логии производства, появляются новые классы компьютеров (и границы суще­ст­вую­щих классов существенно изменя­ются).

1. По принципу действия вычислительные машины делятся на три больших класса: аналого­вые (АВМ), цифровые (ЦВМ) и гибридные (ГВМ). АВМ – вычислительные машины непрерывного действия, работают с ин­формацией, представленной в непрерывной (аналоговой) форме, т.е. в виде непрерывного ряда значений какой-либо физиче­ской величины(механиче­ского воздействия, перемещения, электрического напряжения и др.). ЦВМ – вычислитель­ные ма­шины дис­кретного действия, работают с информа­цией, представленной в дискрет­ной, а точнее, в цифровой форме. ГВМ – вычисли­тельные машины ком­бинирован­ного действия, работают с информацией, представ­ленной и в цифро­вой, и в анало­говой форме (совмещают в себе достоинства АВМ и ЦВМ). Их ис­пользу­ют в управлении сложными техни­ческими ком­плексами.

2. По назначениювычислительные машины делятся на три группы: универсальные (об­щего на­зна­чения), проблемно-ориентированные и специа­лизированные.

Универ­сальные вычислительные машины предназначены для решения самых разных задач: эконо­ми­ческих, математических, информационных и других, от­ли­чающихся сложно­стью ал­горитмов и большим объемом обраба­тываемых данных.

Характерными чертами универсальных машин являются:

· высокая производительность;

· разнообразие форм обрабатываемых данных: двоичных, десятичных, сим­воль­ных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности их пред­став­ления;

· обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логи­че­ских, так и специальных;

· большая емкость оперативной памяти;

· развитая организация системы ввода-вывода информации.

Проблемно-ориентированные вычислительные машины служат для ре­шения более узкого круга за­дач, связанных, как правило, с управлением тех­нологическими объ­ектами; реги­стра­цией, накоплением и обработкой относи­тельно небольших объемов данных; выпол­нением расчетов по относительно несложным алго­ритмам. Они обладают ограни­ченными по сравнению с уни­версальными машинами аппаратными и программ­ными ре­сурсами. К про­блемно-ориентированным вычислительным машинам можно отнести, в част­но­сти, всевоз­можные уп­равляющие вычисли­тельные системы (АСУТП, САПР).

Специализированные вычислительные машины используются для ре­шения узкого круга задач или реа­лизации строго определенной группы функций. Такая их узкая ориентация по­зволяет четко специализировать струк­туру, существенно снизить их слож­ность и стоимость при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным машинам можно отнести, например, программируе­мые микро­про­цессоры специального назначения, выполняющие логические функции управления от­дельными не­сложными техническими устройствами, агре­гатами и процессами.

3. По размерам и функциональным возможностям вычислитель­ные машины можно разделить на сверх­большие (суперЭВМ) – многопроцес­сор­ные и (или) многомашинные ком­плексы, которые используются для ре­шения сложных и больших научных задач - в управле­нии, разведке, в каче­стве цен­трализованных хранилищ информации и т.д. Большие (мэйн­фреймы) - пред­назначены для решения широкого класса на­учно-техниче­ских задач. Малые (конструктивно выполненные в одной стойке). Сверхма­лые (микро­ЭВМ).

Заме­тим, что иногда классификация осуществляется и по иным призна­кам: например, эле­ментной базе, конструктивному исполнению и др.

Свойства ЭВМ лю­бого типа оцени­вается с помощью их технико-эко­номиче­ских характеристик, основ­ными из ко­торых являются: опера­ционные ресурсы(ха­ракте­ризуются количеством реализуемых опе­раций, формами представ­ления дан­ных, а также спо­собами адресации), емкость памяти (оп­ределяется общим количе­ством ячеек памяти для хра­не­ния инфор­мации), быстро­дей­ствие(опреде­ляется числом коротких операций типа сложе­ния, выполняе­мых за 1 сек), надеж­ность(сред­нее время работы между двумя от­казами),стоимость(это суммар­ные за­траты на при­обретение аппа­рат­ных и базовых про­граммных средств ЭВМ, а также за­траты на эксплуатацию).

Процессор

Процессор (CPU) – это функционально за­кон­чен­ное программно-управляемое устройство обработки информации (выполнен­ное в виде одной или нескольких боль­ших или сверхбольших интегральных схем), центральная часть ПК, предназначенная для управления работой всех блоков ма­шины. В состав микропроцессора входят:

· устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нуж­ные моменты времени определенные сигналы управления, обуслов­ленные спецификой выполняемой операции, а также формирует адреса ячеек па­мяти и передает эти адреса в соответст­вующие блоки ЭВМ;

· арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для вы­пол­нения всех арифметических и логических операций над числовой и сим­воль­ной инфор­ма­цией (в некоторых моделях ПК для ускорения выполне­ния опе­раций к АЛУ подключа­ется дополнительный математический со­процессор);

· микропроцессорная память (МПП) - служит для кратковременного хра­нения, за­писи и выдачи информации, непосредственно используемой в вы­числениях (обес­пе­чивает высокое быстродействие машины);

· регистры- применяются для хранения различных адресов, признаков ре­зультатов выполнения операций, режимов работы ПК и др.;

· кэш-память- высокоскоростная память, позволяющая увеличить ско­рость вы­полнения операций;

· интерфейсная система микропроцессора - реализует сопряжение и связь с дру­гими устройствами ПК (включает в себя внутренний интерфейс МП, буфер­ные за­поминающие регистры и схемы управления портами ввода-вы­вода и сис­темной шиной).

Количество фирм, разрабатывающих и производящих процессоры для IBM-совместимых компьютеров, невелико. В настоящее время известны: In­tel, Cyrix, AMD и др.

Производительность CPU характеризуется следующими основными па­раметрами:

· степенью интеграции;

· тактовой частотой;

· внутренней и внешней разрядностью;

· памятью, к которой может адресоваться CPU.

Степень интеграции микросхемы показывает, сколько транзисторов (самый простой элемент любой микросхемы) может поместиться на единице площади. Для процессора Pentium Intel эта величина составляет приблизи­тельно 3 млн. на 3,5 кв.см, у Pentium Pro – 5 млн.

Тактовая частотауказывает, сколько элементарных операций (так­тов) микропроцессор выполняет за одну секунду (измеряется в МГц). Так­товая частота определяет быстродействие процессора.

Для процессора различают внутреннюю (собственную) тактовую час­тоту процессора (с таким быстродействием могут выполняться внутренние простейшие операции) и внешнюю (определяет скорость передачи данных по внешней шине).

Внутренняя разрядность процессора определяет, какое количество битов он может обрабатывать одновременно при выполнении арифметиче­ских операций (в зависимости от поколения процессоров – от 8 до 32 би­тов).

Внешняя разрядность процессораопределяет сколько битов одновре­менно он может принимать или передавать во внешние устройства (от 16 до 64 и более в современных процессорах).

Количество адресов ОЗУ, доступное процессору, определя­ется разряд­ностью адресной шины.

С бурным развитием мультимедиа-приложений перед разработчиками процессоров возникли проблемы увеличения скорости обработки огромных массивов данных, содержащих графическую, звуковую или видео информа­цию. В результате возникли дополнительно устанавливаемыеспециальные процессоры DSP, а затем появились разработанные на базе процессоров Pen­tium так называемые MMX-процессоры (первый из них – Pentium P55C).

Кроме того, к основным характеристикам процессора относят: ко­ли­че­ство регистров, систему команд, объем кэш-па­мяти.

В современных персональных компьютерах разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

· МП типа CISC (Complex Instruction Set Computing) с полным набором ко­манд;

· МП типа RISC (Reduced Instruction Set Computing) с сокращенным набо­ром ко­манд;

Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в персональные компьютеры IBM, имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, исполь­зуемые фирмой Apple для своих персональных компьютеров, имеют архитек­туру RISC. Обе они имеют свои преимущества и недостатки. Так CISC-про­цессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых про­граммист может выбирать команду, наиболее подходящую в конкретном случае. Не­достатком этой архитектуры является то, что большой набор ко­манд услож­няет внутреннее устройство управления процессором, увеличи­вает время ис­полнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различ­ную длину и время исполнении.

RISC-архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд уп­рощает устройство управления процессора. К недостаткам RISC-архитектуры можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать ее с помощью нескольких команд из имеющегося на­бора, увеличивая размер программного кода.

Напомним, что ЭВМ может иметь несколько процессоров. Мно­гопро­цессорные системы, ориентированные на достижение сверхбольших скоро­стей работы, со­дер­жат десятки или сотни сравнительно простых процес­соров с уп­рощенными блоками управления. Такие вычислительные системы, их спе­циали­зация на опре­деленном круге за­дач обеспечивают эффективное рас­парал­лели­вание вычисле­ний.

Контроллер -высокая скорость обработки информации процессором и медлен­ная работа устройств ввода-вывода (в большинстве своем содержа­щих ме­ханиче­ские движущиеся части) породило проблему малоэффективной работы ПК в целом (процессор вынужден про­стаивать в ожидании инфор­мации от внешних уст­ройств). Решением ее было освобождение централь­но­го процессора от функций обмена ин­формацией и передаче их специаль­ным электронным схемам управления работой внешних устройств - контрол­лерам внешних устройств. Контроллер можно рас­сматривать как специали­зированный процессор, управляющий работой соответст­вующего внешнего устройства по специальным встроенным программам. Примене­ние контрол­леров позволило использовать для связи между от­дельными функцио­наль­ными узлами ЭВМ принципиально но­вое устройство - общую шину, на­личие которой позволяет изменить организацию обме­на информацией между ОЗУ и внеш­ним устройством. Передача информации протекает под управлением кон­троллера без использования аппаратно-программных средств централь­ного про­цессора. Это, во-первых, повысило эффективность работы ПК в це­лом и, во-вторых, компьютер, созданный по такой схеме, легко пополнять но­выми устройствами. Дан­ное свойство называют открытостью архитектуры. Для пользователя открытая ар­хитектура оз­на­чает возможность свободно вы­бирать состав внешних устройств для своего ком­пь­ютера в зависимости от круга решаемых задач.

Системная шина

Системная шина - основная интерфейсная система компьютера, обес­печи­вающая сопряжение и связь всех его устройств между собой (она, на­ряду с процессором и запоминающим устройством, во многом определяет производительность работы компьютера). Важней­шими функ­циональными характеристиками системной шины являются: ко­личество обслужи­ваемых ею устройств и ее пропускная способность, т.е. максимально возможная ско­рость передачи информации. Пропускная спо­собность шины зависит от ее раз­рядности (есть шины 8-, 16-, 32- и 64-раз­рядные) и тактовой частоты, на кото­рой шина работает. Системная шина включает в себя:

· кодовую шину данных, содержащую провода и схемы сопряжения для па­рал­лельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) опе­ранда;

· кодовую шину адреса, включающую провода и схемы сопряжения для па­рал­лельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной па­мяти или порта ввода-вывода внешнего устройства;

· кодовую шину инструкций, содержащую провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих сигналов) во все блоки ма­шины;

· шину питания, имеющую провода и схемы сопряжения для подключения бло­ков ПК к системе энергопитания.

Существует несколько стандартов шин: шина PCI (Peripheral Component Interconnect bus), шина USB (Universal Serial BUS), шина SCSI (Small Computer System Interface) для соединения устройств различных классов – памяти, CD-ROM, принтеров, сканеров и т.д.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1) между микропроцессором и основной памятью;

2) между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

3) между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в ре­жиме прямого доступа к памяти).

Все блоки, а точнее их порты ввода-вывода, через соответствующие унифи­ци­ро­ван­ные разъемы подключаются к шине единообразно: непосредст­венно или через кон­троллеры (адаптеры). Управление системной шиной осущест­вляется мик­ропроцессором либо непосредственно, либо, что чаще, через допол­нительную мик­росхему - контроллер шины, формирующий основные сигналы управления.

Запоминающие устройства

Процессор
В компьютере имеются следующие виды памяти: регистровая КЭШ-па­мять (в переводе с английского означает «тай­ник»), основная память и внеш­няя па­мять.

 
 

 

 


Основная память (ОП) - предназначена для хранения и оперативного обмена ин­формацией со всеми блоками машины. ОП содержит два вида за­поминающих уст­ройств: постоянное запоминающее устройство - ПЗУ(ROM – Read Only Mem­ory) и оперативное за­поми­нающее устройство - ОЗУ(RAM - Random Access Memory - па­мять с произвольным доступом). ПЗУ служит для хранения неизме­няемой (посто­янной) программной и справоч­ной ин­формации, позволяет опера­тивно только счи­тывать хранящуюся в нем ин­формацию. ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считыва­ния ин­формации (про­грамм и данных), непосредственно участвую­щей в инфор­маци­онно-вычисли­тельном процессе, выполняемом ПК в теку­щий период вре­мени. Главными досто­ин­ствами оперативной памяти явля­ются ее высокое быст­родейст­вие и возмож­ность обраще­ния к каж­дой ячейке памяти отдельно (прямой адрес­ный доступ к ячейке). В каче­стве недостатка ОЗУ следует отметить невоз­мож­ность сохранения информации в ней после выключения пи­тания машины (энерго­зависимость). Объем ОЗУ обычно со­ставляет от 32 до 512 Мбайт, но иногда для сложных задач компьютерного ди­зайна могут потребовать от 512 Мбайт до 2 Гбайт ОЗУ. Основная память имеет для ОЗУ и ПЗУ единое адресное про­странство.

В настоящее время в качестве оперативной памяти используются мо­дули DIMM, RIMM, SO-DIMM и SO-RIMM. Все они имеют разное количе­ство контактов. Модули SIMM сейчас встречаются только в старых моделях материнских плат, а им на смену пришли 168-контактные DIMM. Модули SO-DIMM и SO-RIMM, имеющие меньшее количество контактов, чем стан­дартные DIMM и RIMM, широко используются в портативных устройствах.

И, тем не менее, скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие про­цес­сора, поэтому применяются различные методы для повышения ее произ­води­тельности. Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанав­ливается сверхбыстродействующая буферная память, которая называется кэш-памятью.

КЭШ-память - представляет собой небольшой блок быстро­действую­щей, но дорогой памяти, которая располагается как бы «ме­жду» процессором и оперативной памятью. Запись в кэш-память осуществляется параллельно с запросом процессора к ОЗУ. Данные, выбираемые процессором, одновре­менно копируются и в кэш-память. Если процессор повторно обратиться к тем же данным, то они будут считаны уже из кэш-памяти. Такая же опера­ция происходит и при записи процессором данных в память. Они записыва­ются в кэш-память, а затем в интервалы, когда шина свободна, переписыва­ются в ОЗУ. Проще говоря, при обращении про­цес­сора к па­мяти сначала производится поиск нужных данных в КЭШ-памяти. По­скольку время дос­тупа к ней в несколько раз меньше, чем к обыч­ной памяти (а в большинстве слу­чаев необходимые микропроцессору данные содержатся в КЭШ-памяти), среднее время доступа к памяти уменьшается. Управление записью и считы­ванием данных в кэш-память выполняется автоматически. Когда кэш-память полностью заполняется, то для записи последующих дан­ных устройство управления кэш-памяти по специальному алгоритму автома­тически удаляет данные, которые реже всего использовались процессором на текущий мо­мент. Использование процессором кэш-памяти увеличивает про­изводитель­ность процессора.

Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая на­ходится внутри процессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, кэш-память делится на уровни. На кристалле са­мого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет объем по­рядка 16-128 Кбайт и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня, которая имеет объем порядка 256 Кбайт – 4 Мбайт. И, наконец, кэш-память третьего уровня, расположена на системной плате, ее объем может составлять 2-24 Мбайт. Заметим, что обмен данными с последней происхо­дит не на внутренней час­тоте МП, а на часто­те тактового генератора, которая обычно в 2 - 3 раза ниже, что сни­жает общее быстродейст­вие компьютера.

Внешняя память - относится к внешним устройствам ПК и использу­ется для долговременного хранения любой информации, которая может ко­гда-либо потре­бо­ваться для решения задач (целостность её содержимого не зависит от того, вклю­чен или выключен компьютер). В частности, во внеш­ней памяти хра­нится все про­граммное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разно­об­разные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными, имею­щимися практи­чески на любом компьютере, яв­ляются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дис­ках. Назначение этих накопителей - хра­нение больших объ­емов информации, за­пись и выдача хранимой информации по за­просу в оперативное запоми­наю­щее устройство. В качестве устройств внеш­ней па­мяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнит­ной ленте, накопители на оп­тических дисках и др.

Внешние запоминающие устройства весьма разнооб­разны. Их можно класси­фи­цировать по целому ряду признаков: по виду носи­теля, типу конст­рукции, по прин­ципу записи и считывания информации, методу дос­тупа и т.д. В зависимо­сти от типа носителя все ВЗУ можно подразделить на дис­ко­вые накопители и на­копи­тели на маг­нитной ленте. Накопители на дисках бы­вают:

· накопители на гибких магнитных дисках (флоппи-диски);

· накопители на жестких магнитных дисках типа «винчестер»;

· накопители на оптических компакт-дисках;

Магнитная запись в качестве запоминающей среды использует магнит­ные ма­териалы со специальны­ми свойствами (с прямоугольной петлей гис­терезиса), по­зво­ляющими фиксировать два маг­нитных состояния - два на­правления намагни­ченно­сти. Каждому из этих состояний соответствуют дво­ичные цифры: 0 и 1.

Исторически первыми магнитными носителями в машинах 1 и 2 поко­ления были магнитные ленты (цифровые магнитофоны) и магнитные бара­баны. Цифро­вой магнитофон представлял собой обычный мно­гоголовочный магнитофон, за­писы­вающий на широкую ленту. Магнитный ба­рабан - это цилиндр с магнитной поверх­ностью диаметром около полуметра и емкостью несколько десятков КБ. Еще один вид магнитной записи в ЭВМ 1 и 2 поко­ления - матрицы из маленьких (около 1 мм) магнитных колец, пере­магничи­вающихся под действием электриче­ского тока. Уже в ЭВМ 3-го поколения такой вид хранения информации перестал использоваться.

Наибо­лее распространенными внеш­ними запоминающими устройст­вами в ПК являются накопители на магнитных дисках (НМД). Диски бывают жесткими и гиб­кими, сменными и встроенными в ПК. Устройство для чтения и записи ин­фор­мации на магнитном диске называется дисководом.

Накопители на гибких магнитных дисках.

 

 

Гибкий диск (англ. floppy disk), или дискета, - носитель небольшого объ­ема ин­формации. Дискета состоит из круглой полимерной подложки, по­кры­той с обеих сторон магнитным окислом (являющим собой физическую ос­нову записи/считы­ва­ния) и помещенной в пластиковую упаковку. В упаковке сде­ланы с двух сторон ра­ди­альные про­рези, через которые головки за­писи/счи­тывания накопи­теля полу­чают доступ к диску. Информация записы­вается по концентрическим дорожкам (тре­кам), которые де­лятся на секторы. Количе­ство дорожек и секто­ров зависит от типа и формата дискеты. Сектор хранит ми­нимальную порцию ин­формации, кото­рая мо­жет быть записана на диск или счи­тана. Ёмкость сектора постоянна и состав­ляет обычно 512 бай­тов. Один или несколько смежных секторов дорожки составляют кластер. В на­стоящее время наибольшее распростра­нение получили дис­кеты со следую­щими характеристи­ками: диаметр 3,5 дюйма (89 мм), ёмкость 1,44 Мбайт, число дорожек 80, коли­чество секторов на дорожках 18. Дискета уста­навли­вается в накопитель на гиб­ких магнитных дис­ках (англ. floppy-disk drive), ав­томатиче­ски в нем фикси­руется, после чего ме­ханизм на­копителя раскручива­ется до час­тоты вращения 360 об/мин. За один оборот диска мо­жет быть считана информация с одной дорожки. Общее время доступа к ин­формации на диске складывается из времени перемещения головки на нуж­ную дорожку и времени оборота диска. Нако­питель связан с процессором че­рез контроллер гибких дисков.

Накопители на жестких магнит­ных дисках

 

 

Накопитель на жёстких магнитных дисках (HDD - Hard Disk Drive) или «вин­честер» используется для постоянного хранения информации - программ и дан­ных. В этих накопителях один или несколько жестких дисков (платте­ров), из­готов­ленных из сплавов алюминия или керамики (поверхности кото­рых по­крыты слоем маг­нитного материала), вместе с блоком магнит­ных го­ловок за­писи/считывания поме­щены в герметически закрытый корпус. Тер­мин винчестер возник из жаргонного на­звания первой модели жесткого диска ем­костью 16 Кбайт (IBM, 1973 г.), имевшего 30 дорожек по 30 секто­ров, что случайно совпало с ка­либ­ром «30/30» известного охотничьего ружья «Вин­честер». По сравнению с дисководами для гибких дисков винчестеры обла­дают рядом ценных преимуществ: объем хранимых данных неизмеримо больше (достигает сотен Гбайт), время доступа у винчестера на порядок меньше (все со­временные накопи­тели снабжа­ются встроенным кэшем, ко­торый существенно по­вы­шает их производительность). Единственный не­достаток: они не предназначены для переноса ин­формации на другие компь­ютеры (это касается стационарных, т.е. встраи­ваемых в корпус компью­тера винчестеров). В настоящее время существуют внешние винчестеры – External Hard Disc Drive, объемом до сотен Гбайт. Очень попу­лярны нако­пи­тели Flash, которые, как и внешние винче­стеры подключаются через USB-порт (они выпускаются объемом 32, 64, 128, 256, 512 Мбайт и более). Физи­ческие размеры винчестеров стандартизированы параметром, ко­торый назы­вают форм-фактором (form factor). Винче­стерский накопитель связан с про­цессором че­рез кон­троллер жесткого диска.

Накопители на оптических дисках.

 

Приводы компакт-дисков (CDD – Compact Disk Drive) необходимый ат­рибут современного компьютера. Благодаря маленьким размерам, боль­шой емкости и надежности эти накопители становятся все более и более популяр­ными. Существует несколько разновидностей оптических дисков:

· обычные CD, только для считывания, т.е. устройства ROM;

· CD-R – диски с возможностью однократной записи;

· CD-RW – диски с многократной перезаписью;

· DVD-ROM - только для считывания;

· DVD-R – с возможностью однократной записи;

· DVD-RW – с возможностью многократной перезаписи.

Основными достоинствами накопителей на оптических дисках явля­ются:

· сменяемость и компактность носителей;

· большая информационная емкость;

· высокая надежность и долговечность;

· малая чувствительность к загрязнениям и вибрациям;

· нечувствительность к электромагнитным полям.

Оптический компакт-диск (CD) появился в 1982 г. Он идеально подхо­дил для записи цифровой информации больших объемов (600-700 Мбайт) на сменном носи­теле. Запись на компакт-диск при промышленном производстве про­изводится в несколько этапов. Сначала с использованием мощного ин­фракрасного лазера в стеклянном контрольном диске выжигают­ся отверстия диаметром 0,8 мик­рон. По контрольному диску изго­тавливается шаблон с выступами в тех местах, где лазер прожег отвер­стия. В шаблон вводится жидкая смола (поликарбонат), и по­лу­чают диск с таким же набором впадин, что и отверстий в контрольном диске. Со стороны впадин на диск напыля­ется тонкий слой алюминия, который затем покры­вается лаком, защищаю­щим его от царапин. Впадины и пло­щадки (имеющие разную отражатель­ную способность) записыва­ются на диск по спирали. В середине 90-х гг. поя­вились устройства, устанавливаемые не­посредственно на компьютере и по­зво­ляющие производить однократ­ную запись информации на компакт-диск. Для таких устройств вы­пускают специальные компакт-диски, кото­рые полу­чили название CD-Recodable (CD-R). Отражающим слоем у них служит тон­кий слой позолоты. Между слоем позолоты и слоем поликарбамидной смолы вводится слой красителя. На диске без записи этот слой красителя бесцветен, но под воздействием лазерного луча краситель темнеет, образуя пятна, кото­рые при вос­произведении воспринима­ются как выступы. Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи - CD-ReWritable (CD-RW). На этих дисках слой краси­теля может находиться в двух состояниях: кристалли­ческом и аморфном. Эти два состояния имеют разную отра­жательную спо­собность. Лазер устрой­ства имеет три уровня мощности. При записи мощ­ность лазерного диода повышается и расплавляет слой красителя, переводя его в аморфное состояние с низкой отражательной спо­собностью, что со­от­ветствует вы­ступу (запись информации). При средней мощности краситель плавится и переходит в кристаллическое состояние с высокой отража­тельной способностью (стирание ин­формации). Низкая мощность лазера использу­ется для считывания информации. Дальнейшее развитие технологий произ­водства компакт-дисков привело к соз­данию дисков с высокой плотностью записи - цифро­вой универсальный диск Digital Versatile Disk (DVD). Впадины на них имеют меньший диаметр (0,4 микрона), а спи­раль размещается с плотностью 0,74 микрона между дорожками (вместо 1,6 микрон у CD). Это позволило увеличить объем информации на диске до 4,7 Гбайт. Даль­нейшее увеличение объема информации обеспечива­ется применением двусторонних DVD.

К недостаткам дисковой памяти можно отнести наличие механических движущих компонентов и большую потребляемую мощность при записи и считывании. Появление большого числа цифровых устройств (цифровых фото- и видеокамер, карманных компьютеров и т.д.) потребовало разра­ботки миниатюрных устройств внешней памяти, которые обладали бы малой энергоемкостью, небольшими размерами, значительным объемом и обеспе­чивали бы совместимость с персональными компьютерами. Первые про­мышленные образцы такой памяти появились в 1994 г. Новый тип памяти получил название флэш-память (Flash-Memory). Флэш-память представляет собой микросхему энергонезависимого, перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства с произвольным доступом и неограниченным числом циклов перезаписи. Она использу­ется как для соз­дания быстро­дей­ству­ющих, ком­пак









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2019 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.