Энциклопедия PC

Основы компьютернойтехники

Компьютер представляет собой устройство, способное исполнять четко определенную последовательность операций, предписанную программой. Понятие «компьютер» является более широким, чем «электронно-вычислительная машина» (ЭВМ), поскольку в последнем явный акцент делается на вычисления. Персональный компьютер (ПК) характерен тем, что им может пользоваться один человек, не прибегая к помощи бригады обслуживающего персонала и не отводя под него специального зала с особым климатом, мощной системой электропитанияипрочимиатрибутамибольшихвычислительныхмашин. Персональный компьютер обычно в значительной степени ориентирован на интерактивное взаимодействие с одним пользователем (в играх иногда и с двумя), причем взаимодействие происходит через множество сред общения — от алфавитноцифрового и графического диалога посредством дисплея, клавиатуры и мыши до устройств виртуальной реальности, в которой пока не задействованы, наверное, только запахи. Когда используется аббревиатура PC (Personal Computer), подразумевается ПК, совместимый с самым массовым семейством персональных компьютеров фирмы IBM и их клонов. Конечно же, это не единственное в мире семейство — есть множество и других достойных компьютерных линий, но данная книга посвящена именно IBM PC-совместимым персональным ком-

Основыкомпьютернойтехники 19

пьютерам. Чем они отличаются от других, можно узнать в главе 2. PC может обеспечивать и коллективную работу: возможности многих компьютеров этого семейства позволяют использовать их и в качестве серверов в сетях или локальных многотерминальных системах. Таким образом, можно объяснить словосочетание PC-сервер, которое неявно предполагает повышенную мощность (скорость вычислений, объем оперативной и внешней памяти) и особое конструктивное исполнение (просторный корпус) компьютера. Словосочетание ПКсервер уже звучит странновато, хотя в одноранговых сетях и этому словосочетанию можно найти объяснение — персональный компьютер может предоставлять свои ресурсы (например, дисковое пространство, принтеры или модемы) другим компьютерам, для которых он будет являться невыделенным сервером. Попутно отметим и термин рабочая станция (workstation, WS), в который может быть вложено два значения. В компьютерной сети рабочей станцией называют компьютер пользователя (как противоположность серверу). Однако рабочая станция может быть и изолированным (standalone computer), но особенно мощным компьютером (его подключение к сети, конечно же, не исключается). В этом случае часто подразумевается архитектура, отличающаяся от IBM PCсовместимой (например, компьютер на RISC-процессоре). Для мощного IBM PCсовместимого компьютера применяют англоязычный термин High End PC, которомукороткогорусскогоаналогапоканет.

Персональные компьютеры, совместимые с IBM PC, делятся на несколько поколений (или классов), которые начинались со следующих «исторических» моделей:

« IBM PC первой модели: процессор Intel 8088, адресуемая память 1 Мбайт, шина расширения — ISA (8 бит), накопители на гибких дисках (НГМД) до

360 Кбайт;

*IBM PC/XT (eXtended Technology — расширенная технология) — все то же,

но появились винчестеры (накопители на жестких дисках, НЖМД) и возможностьустановкиматематическогосопроцессораIntel 8087;

*IBM PC/AT (Advanced Technology — прогрессивная, или «продвинутая»,

технология): процессор Intel 80286/80287, адресуемая память 16 Мбайт, шина ISA 16 бит, НГМД1,2 и1,44 Мбайт, НЖМД.

В настоящее время класс машин AT развивается в нескольких направлениях: 16-разрядный процессор заменен на 32-разрядный (теперь уже класса Р6 и старше); память адресуется в пространстве до 4 и даже 64 Гбайт; применяется более эффективная шина расширения (PCI) с сохранением (и то уже не всегда) ISA для обеспечения совместимости со старыми адаптерами; расширяется состав устройств, имеющих системную поддержку. Компьютеры выпускаются в разных исполнениях — от настольных (напольных) до блокнотных, причем их предельные возможности не так уж сильно различаются. Есть и специальные конструкции для встраивания в технологическое и иное оборудование. Самые маленькие, помещающиеся на ладони (palm top), пока что сильно отличаются от своих более крупных сородичей и в этой книге им внимание практически не уделяется.

20Глава1. Основыкомпьютернойтехники

1.1.Изчегосостоиткомпьютер?

Любой IBM PC-совместимый компьютер представляет собой реализацию так называемой фон-неймановской архитектуры вычислительных машин. Эта архитектура была представлена Джорджем фон Нейманом еще в 1945 году и имеет следующие основные признаки. Машина состоит из блока управления, арифме-

тико-логического устройства (АЛУ), памяти и устройств ввода-вывода. В ней реализуется концепция хранимой программы: программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Выполняемые действия определяются блоком управления и АЛУ, которые вместе являются основой центрального процессора. Центральный процессор выбирает и исполняет команды из памяти последовательно, адрес очередной команды задается «счетчиком адреса» в блоке управления. Этот принциписполненияназываетсяпоследовательнойпередачейуправления. Данные,

с которыми работает программа, могут включать переменные — именованные области памяти, в которых сохраняются значения с целью дальнейшего использования в программе. Фон-неймановская архитектура — не единственный вариант построения ЭВМ, есть и другие, которые не соответствуют указанным принципам (например, потоковые машины). Однако подавляющее большинство современных компьютеров основаны именно на указанных принципах, включая и сложные многопроцессорные комплексы, которые можно рассматривать как объединение фон-неймановских машин. Конечно же, за более чем полувековую историю ЭВМ классическая архитектура прошла длинный путь развития. Тем не менее ПК можно разложить «по полочкам» следующим образом.

Центральный процессор (АЛУ с блоком управления) реализуется микропроцессором семейства х86 — от 8086/88 до Pentium 4 и Athlon (и это не конец истории). При всей внутренней суперскалярности, суперконвейеризированнос-ти и спекулятивности (см. п. 5.1.3) современного процессора внешне он соблюдает вышеупомянутый принцип последовательной передачи управления. Набор арифметических, логических и прочих инструкций насчитывает несколько сотен, а для потоковой обработки придуман принцип SIMD — множество комплектов данных, обрабатываемых одной инструкцией (расширения ММХ, SDNow!, SSE). Процессор имеет набор регистров, часть которых доступна дляхранения операндов, выполнения действий над ними и формирования адреса инструкций и операндов в памяти. Другая часть регистров используется процессором для служебных (системных) целей, доступ к ним может быть ограничен (есть даже программноневидимые регистры). Все компоненты компьютера представляются для процессора в виде наборов ячеек памяти или (и) портов ввода-вывода, в которые процессор можетпроизводитьзаписьи(или) считываниесодержимого.

Память «расползлась» по многим компонентам. Оперативная память (ОЗУ) — самый большой массив ячеек памяти со смежными адресами — реализуется, как правило, на модулях (микросхемах) динамической памяти. Для повышения производительности обмена данными (включая и считывание команд) оперативная память кэшируется сверхоперативной памятью (см. п. 6.1.3). Первый, а зачастую и второй уровень кэширования территориально располагается в микропроцессоре. Оперативная память вместе с кэшем всех уровней (в настоящее время до трех) представляет собой единый массив памяти, непосредственно доступный

процессору для записи и чтения данных, а также считывания программного кода. Кроме оперативной память включает также постоянную (ПЗУ), из которой можно только считывать команды и данные, и некоторые виды специальной памяти (например, видеопамять графического адаптера). Вся эта память вместе с оперативной располагается в едином пространстве с линейной адресацией. В любом компьютере обязательно есть постоянная память, в которой хранится программа начального запуска компьютера и минимально необходимый набор сервисов (ROM BIOS). Память дополняется устройствами хранения данных, например, дисковыми. Эти устройства предназначены для записи данных с целью последующего считывания (возможно, и на другом компьютере). От рассмотренной выше памяти, называемой также внутренней, устройства хранения отличаются тем, что процессор не имеет непосредственного доступа к данным по линейному адресу. Доступ к данным на устройствах хранения выполняется с помощью специальных программ, обращающихся кконтроллерамэтихустройств.

Устройства ввода-вывода (УВВ) служат для преобразования информации из внутреннего представления в компьютере (биты и байты) в форму, доступную окружающим, и обратно. Под окружающими понимаем как людей, так и другие машины (например, технологическое оборудование, которым управляет компьютер). К традиционным устройствам ввода относятся клавиатура, мышь, джойстик, к устройствам вывода — дисплей, принтер. Устройства хранения к УВВ относить некорректно, поскольку здесь преобразования информации ради доступности внешнему миру не происходит — что сохранил (неважно, на каком носителе), то и прочитал (если удалось). Существует еще большой класс коммуникационных устройств, предназначенных для передачи информации между компьютерами и (или) их частями. Эти устройства обеспечивают, например, соединение компьютеров в локальной сети или подключение терминала (это УВВ) к компьютеручерезпарумодемов.

Устройства ввода-вывода, хранения данных, коммуникационные и прочие будем называть просто устройствами. От определения «периферийные» здесь пока воздержимся, оно характеризует способ подключения (см. ниже). Процессор, память и устройства взаимодействуют между собой с помощью шин и интерфейсов, аппаратных и программных; стандартизация интерфейсов делает архитектурукомпьютеров открытой.

1.2. Биты, байты, слова, параграфы...

Компьютер работает в двоичной системе счисления — минимальным информационным элементом является бит, который может принимать значение 0 или 1. Этим значениям соответствуют различимые физические состояния ячейки, чаще всего — уровень напряжения (низкий или высокий). Биты организуются в более крупные образования — ячейки памяти и регистры. Каждая ячейка памяти (регистр) имеет свой адрес, однозначно ее идентифицирующий в определенной системе координат. Минимальной адресуемой (пересылаемой между компонентами компьютера) единицей информации является байт, состоящий, какправило,

22 Глава1. Основыкомпьютернойтехники

из 8 бит1. Два байта со смежными адресами образуют слово (word) разрядностью 16 бит, два смежных слова образуют двойное слово (double word) разрядностью 32 бита, два смежных двойных слова образуют учетверенное слово (quad word) разрядностью 64 бита.

Вдвухбайтном слове принят LH-порядок следования байт: адрес слова указывает на младший байт L (Low), а старший байт Н (High) размещается по адресу, на единицу большему. В двойном слове порядок будет аналогичным — адрес укажет на самый младший байт, после которого будут размещены следующие по старшинству. Этот порядок, естественный для процессоров Intel, применяется не во всех других микропроцессорных семействах. Байт (8 бит) делится на пару тетрад (nible): старшую тетраду — биты[7:4] имладшуютетраду — биты[3:0].

Втехнической документации, электрических схемах и текстах программ могут применяться разные способы представления чисел.

шДвоичные (binary) числа — каждая цифра означает значение одного бита (О или 1), старший бит всегда пишется слева, после числа ставится буква «Ь». Для удобства восприятия тетрады могут быть разделены пробелами.

Например, 1010 OlOlb.

«Шестнадцатеричные (hexadecimal) числа — каждая тетрада представляется одним символом 0...9, А, В, ..., F. Обозначаться такое представление может по-разному, в данной книге используется только символ «h» после последней шестнадцатеричной цифры. Например, A5h. В текстах программ это же число может обозначаться и как ОхА5, и как OA5h, в зависимости от синтаксиса языка программирования. Незначащий ноль (0) добавляется слева от старшей шестнадцатеричной цифры, изображаемой буквой, чтобы различать числа и символические имена.

шДесятичные (decimal) числа — каждый байт (слово, двойное слово) представляется обычным числом, а признак десятичного представления (букву «d») обычно опускают. Байт из предыдущих примеров имеет десятичное значение 165. В отличие от двоичной и шестнадцатеричной формы записи по десятичной трудно в уме определить значение каждого бита, что иногда приходится делать.

«Восьмеричные (octal) числа — каждая тройка бит (разделение начинается с младшего) записывается в виде цифры 0-7, в конце ставится признак «о». То же самое число будет записано как 245о. Восьмеричная система неудобна тем, что байт не разделить поровну, но зато все цифры — привычные. В «про-интеловских» системах это представление непопулярно (у него «ОЕС'овское» происхождение).

В табл. 1.1 приведены разные представления одной тетрады (4 бит). Чтобы перевести любое 8-битное число в десятичное, нужно десятичный эквивалент старшей тетрады умножить на 16 и сложить с эквивалентом младшей тетрады. Для нашего примера A5h= 10x16+5=165. Обратный перевод тоже несложен: десятичное число делится на 16, целая часть даст значение старшей тетрады, остаток — младшей.

'Существуют процессоры и компьютеры с разрядностью обрабатываемого слова не кратной 8 (например, 5, 7, 9...), и их байты не восьмибитные, но в мире PC столкновение с ними маловероятно. Также в некоторых системах (обычно коммуникационных) совокупность восьми соседних бит данных называют октетом. Название «октет» обычно подразумевает, что эти 8 бит не имеют явного адреса, а характеризуются только своим местоположением в длинной цепочке бит.

1.3. Ячейкипамяти, портыирегистры 23

Таблица1.1. Представлениедвоичныхчиселвразныхсистемахсчисления

В «наследство» от процессоров 8086/88 достался своеобразный способ задания адреса ячейки памяти в виде указателя «seg:offset», состоящего из двух слов: сегмента (seg — segment) и смещения (offset). Такая запись предполагает вычисление полного адреса по формуле addr=16xseg+offset. Такое представление 20- битногоадресадвумя16-битнымичисламивпроцессорах8086/88 поддерживается и в реальном режиме всех последующих процессоров х86 (подробнее об адресации памяти см. в п. 5.2.2). Здесь сегмент указывает адрес параграфа — 16байтной области памяти. Выравнивание адреса по границе параграфа означает, что он кратен 16 (4 младших бита нулевые). Нетрудно видеть, что один и тот же адресможнозадаватьразнымисочетаниямиэтихдвухкомпонентов. Так, например, адрес начала области данных BIOS (BIOS Data Area) 00400h представляют как 0000:0400, так и 0040:0000 (шестнадцатеричное представление подразумевается). Возможны и другие варианты, но их не используют. В данной книге в основном будем пользоваться первым способом, причем нулевое значение сегмента будем представлятькратко, тоесть0:0400.

Обозначениеипорядокбитибайтшинадресаиданных, принятоеваппаратуре PC, пришло от процессоров Intel 8086/88 (и даже от 8080). Самый младший бит

155 (Least Significant Bit) имеет номер 0, старший (MSB — Most Significant Bit) бит байта — 7, слова — 15, двойного слова —31. На рисунках принято старший бит изображатьслева, амладший— справа.

1.3. Ячейкипамяти, портыирегистры

Поясним разницу между ячейками памяти, портами и регистрами. Ячейки памяти служат лишь для хранения информации — сначала ее записывают в ячейку, а потом могут прочитать, а также записать иную информацию. Порты вводавывода, какправило, служатдляпреобразованиядвоичнойинформациивка-

24 Глава1. Основыкомпьютернойтехники

кие-либо физические сигналы и обратно. Например, порт данных параллельного интерфейса формирует электрические сигналы на разъеме, к которому обычно подключают принтер. Порт состояния того же интерфейса электрические сигналы, поступающие от принтера, отображает в виде набора бит, который может быть считан процессором. Регистр — довольно широкое понятие, которое зачастую используется каксиноним порта.

Каждый байт (ячейка памяти, порт) имеет собственный уникальный физический адрес. Этот адрес устанавливается на системной шине процессором, когда он инициирует обращение к данной ячейке или порту. В семействе х86 и PCсовместимых компьютерах пространства адресов ячеек памяти и портов вводавывода разделены. Это предусмотрено с обеих сторон: процессоры позволяют, а компьютеры используют данное разделение. Нынешние процессоры имеют разрядность физического адреса памяти 32 и даже 36 бит, что позволяет адресовать до 4 и 64 Гбайт соответственно. Пространство ввода-вывода использует только младшие 16 бит адреса, что позволяет адресовать до 65 384 однобайтных регистров. Адреса «исторических» системных устройств PC не изменились с самого рождения

— это дань совместимости, которая без разделения пространств вряд ли бы просуществовала столько лет. Пространства памяти и портов ввода-вывода неравнозначны не только по объему, но и по способам обращения. Способов адресации к ячейке памяти в х86 великое множество, в то время как для адресации ввода-вывода их существует только два. К памяти возможна (и широко используется) виртуальная адресация (см. п. 5.2.2), при которой для программиста, программы и даже пользователя создается иллюзия гигантского размера оперативной памяти. К портам ввода-вывода обращаются только по реальным адресам, правда, и здесь возможна виртуализация, но уже чисто программными средствами операционной системы. И, наконец, самое существенное различие пространств памяти и портов ввода-вывода: процессор может считывать инструкции для исполнения только из пространства памяти. Конечно, через порт ввода можно считать фрагмент программного кода (что и происходит, например, при считывании данных с диска), но для того, чтобы этот код исполнить, его необходимо записать в память.

Регистры различных устройств могут быть приписаны как к пространству портов ввода-вывода, так и к пространству памяти. Под портом устройства, как правило, подразумевают регистр, связанный с этим устройством и приписанный к пространству портов ввода-вывода. Точность вышеприведенной терминологии, конечно же, относительна. Так, к примеру, ячейки видеопамяти (тоже память!) служат в основном не для хранения информации, а для управления свечением элементов экрана.

1.4. Подсистемыпамятии храненияданных

Память компьютера предназначена для кратковременного и долговременного хранения информации — кодов команд и данных. В памяти информация хранится вмассивеячеек. Минимальнойадресуемойединицейявляетсябайт— каж-

1.4. Подсистемыпамятиихраненияданных 25

дый байт памяти имеет свой уникальный адрес. Память можно рассматривать как иерархическую систему, простирающуюся от кэш-памяти процессора до ленточных архивов.

Со времени появления больших (по размерам) компьютеров сложилось деление памяти на внутреннюю и внешнюю. Под внутренней подразумевалась память, расположенная внутри процессорного «шкафа» (или плотно к нему примыкающая). Сюда входила и электронная, и магнитная память (на магнитных сердечниках). Внешняя память представляла собой отдельные устройства с подвижными носителями — накопители на магнитных дисках (а сначала — на барабанах) и ленте. Со временем все устройства компьютера удалось «поселить» в один небольшой корпус, и прежнюю классификацию памяти применительно к PC можно переформулировать так:

* внутренняя память — электронная (полупроводниковая) память, устанавливаемая на системной плате или на платах расширения;

ж внешняя память — память, реализованная в виде устройств с различными принципами хранения информации, чаще всего с подвижными носителями; в настоящее время сюда входят устройства магнитной (дисковой и ленточной) памяти, оптической имагнитооптической памяти; устройства внешней памяти могут размещаться как в системном блоке компьютера, так и в отдельных корпусах, достигающихиногдаразмеровнебольшогошкафа.

Для процессора непосредственно доступной является внутренняя память, доступ к которой осуществляется по адресу, заданному программой. Для внутренней памяти характерен одномерный (линейный) адрес, который представляет собой одно двоичное число определенной разрядности. Внутренняя память подразделяется на оперативную, информация в которой может изменяться процессором в любой момент времени, и постоянную, информацию которой процессор может только считывать. Обращение к ячейкам оперативной памяти может происходить в любом порядке, причем как по чтению, так и по записи, поэтому оперативную память называют памятью с произвольным доступом —

Random Access Memory (RAM) — в отличие от постоянной памяти (Read Only Memory, ROM).

Внешняя память адресуется более сложным образом — каждая ее ячейка имеет свой адрес внутри некоторого блока, который, в свою очередь, имеет многомерный адрес. Во время физических операций обмена данными блок может быть считан или записан только целиком. В случае одиночного дискового накопителя адрес блока будет трехмерным: номер поверхности (головки), номер цилиндра и номер сектора. В современных накопителях этот трехмерный адрес часто заменяют линейным номером — логическим адресом блока, а его преобразованием в физический адрес занимается внутренний контроллер накопителя. Поскольку дисковых накопителей в компьютере может быть множество, в адресации дисковой памяти участвуют также номер накопителя и номер канала интерфейса. С такой сложной системой адресации процессор справляется только с помощью программного драйвера, в задачу которого в общем случае входит копирование некоторого блока данных из оперативной памяти в дисковую и обратно. Название «дисковая память» широко применяется для внешней памяти с прямым доступом, чтоподразумевает возможность обращения кблокам(нонеячейкам) впро-

26 Глава1. Основыкомпьютернойтехники

извольном порядке. Память на ленточных носителях имеет самый неудобный метод доступа — последовательный. В ней информация также хранится в виде блоков фиксированной или переменной длины, и в пределах одного носителя эти блоки имеют последовательные адреса. Для доступа к какому-либо блоку устройство должно найти некоторый маркер начала ленты (тома), после чего последовательным холостым чтением блока за блоком дойти до требуемого места и только тогда производить сами операции обмена данными. С такими неудобствами мирятся только потому, что ленточные носители являются самым дешевым хранилищем больших объемов информации, к которой не требуется оперативногодоступа.

Нижеперечислены наиболееважные параметры подсистемы памяти.

ж Объем хранимой информации. Нет необходимости объяснять, что чем он больше, тем лучше. Максимальный (в принципе неограниченный) объем хранят ленточные и дисковые устройства со сменными носителями, за ними идут дисковые накопители, и завершает этот ряд оперативная память.

ш Время доступа — усредненная задержка начала обмена полезной информацией относительно появления запроса на данные. Минимальное время доступа имеет оперативная память, за ней идет дисковая и после нее — ленточная.

« Скорость обмена при передаче потока данных (после задержки на время доступа). Максимальную скорость обмена имеет оперативная память, за ней идетдисковаяипосленее— ленточная.

» Удельная стоимость хранения единицы данных — цена накопителя (с носителями), отнесенная к единице хранения (байту или мегабайту). Минимальную стоимость хранения имеют ленточные устройства со сменными носителями, их догоняют дисковые накопители, а самая дорогая — оперативная память.

Кроме этих параметров имеется и ряд других характеристик — энергонезависимость (способность сохранения информации при отключении внешнего питания), устойчивость к внешним воздействиям, время хранения, конструктивные особенности (размер, вес) и т. п. У каждого типа памяти имеются различные реализациисосвоимидостоинствамиинедостатками.

Внутренняя и внешняя память используются существенно различными способами. Внутренняя (оперативная и постоянная) память является хранилищем программного кода, который непосредственно может быть исполнен процессором. В ней же хранятся и данные, также непосредственно доступные процессору (а следовательно, и исполняемой программе). Внешняя память обычно используется для хранения файлов, содержимое которых может быть произвольным. Процессор (программа) имеет доступ к содержимому файлов только опосредовано через отображение их (полное или частичное) в некоторой области оперативной памяти. Исполнить программный код или обратиться к данным непосредственно на диске процессор не может в принципе. То же относится, естественно, и к ленточной памяти.

Однако реальная жизнь многообразнее этой упрощенной схемы, и на практике дисковая и оперативная память переплетаются сложным образом. Главный