4.3. Структурные элементы компьютера

Выше определена структурная схема компьютера и в общих чертах описано взаимодействие его элементов в процессе функционирования. Рассмотрим основные структурные элементы компьютера более подробно

4.3.1. Память

Предназначена для хранения данных. Как отмечалось ранее, делится на внутреннюю и внешнюю.

4.3.1.1. Внутренняя память

Внутренняя память компьютера предназначена для хранения оперативно обрабатываемых данных. Она является более быстрой, чем внешняя память, что соответствует принципу иерархии памяти, выдвинутому в проекте Принстонской машины. Следуя этому принципу, можно выделить уровни иерархии и во внутренней памяти.

Самой быстрой и меньшей по объему является кэш-память (от англ. cashe – тайник). Она является буфером между основной памятью и процессором и позволяет увеличить скорость выполнения операций. В нее помещаются данные, которые процессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы.

Вторым элементом внутренней памяти является основная память (она подробно рассмотрена ниже).

Память дискретна. Элементарной (минимальной) единицей хранения информации является бит. Он может содержать 0₂или 1₂. Однако компьютер при работе с памятью для размещения или выборки данных из нее оперирует не битами, а байтами и более крупными единицами.

Для обращения к элементам памяти они снабжаются адресами, начиная с нуля. Максимальный адрес основной памяти определяется функциональными возможностями того или иного компьютера.

Структура основной памяти для компьютеров класса IBCPCс указанием начальных адресов отдельных областей представлена в таблице:

непосредственно адресуемая память операционной системы								расширенная память XMA1
стандартная память СМА2 (640К)			верхняя память UMA3(384К)				высокая память HMA4(64К)			остальная память
ОЗУ5					ПЗУ
область служебных программ и данных операционной системы (64К)	область программ и данных пользователя (576К)	область видеопамяти и служебных программ (256К)		область программы начальной загрузки операционной системы и других программ BIOS6(128К)
0 64К 640К 896К 1024К 1088К МАХ

В силу особенностей операционной системы непосредственно адресуются только первые 1024К памяти, доступ к остальным адресам осуществляется средствами специальных программ, которые называются драйверами. Их подключение выполняется в файле конфигурации config.sysв предложенииdevice.

4.3.1.2. Внешняя память

Внешняя память представлена в основном магнитными и оптическими носителями. Магнитные носители делятся на магнитные ленты (стримеры), которые используются для хранения архивов и нашли неширокое применение, и магнитные диски. Рассмотрим организацию внешней памяти на примере магнитных дисков.

Магнитные диски являются элементами устройств чтения-записи информации – дисководов. Сам магнитный диск – это пластиковый (для гибких дисков) или алюминиевый либо керамический (для жестких дисков) круг с магниточувствительным покрытием. В случае жесткого диска таких кругов может быть несколько, и все они в центре посажены на один стержень. Для гибкого диска такой круг один, при помещении в дисковод он фиксируется в центре. Во время работы диск раскручивается. Схема дисковода показана на рисунке:

опоры стержня

стержень

диск головки чтения-записи

Головки чтения-записи могут синхронно перемещаться в горизонтальном и вертикальном направлении (это показано стрелками), что позволяет им приблизиться к любой точке поверхности диска. Каждая точка поверхности рассматривается как отдельный бит внешней памяти.

Так же как и основная память, поверхность диска (или дисков) имеет структуру. Элементы физической структуры следующие:

1. дорожка – концентрическая окружность, по которой движутся головки чтения-записи при размещении или поиске данных. Дорожки нумеруются, начиная с нуля. Нулевой номер имеет самая внешняя дорожка на диске;

2. секторы – блоки, в которых размещаются данные на дорожке при записи. Нумеруются, начиная с единицы. Помимо пользовательской информации (самих данных), сектора содержат служебную информацию, например, собственный номер. Сектора являются минимальными адресуемыми элементами данных для диска;

3. стороны диска. Нумеруются, начиная с нуля. Для винчестера, расположенного вертикально, нулевой номер имеет самая верхняя сторона, для гибкого диска нулевой номер у «лицевой» стороны дискеты;

4. цилиндр – совокупность дорожек с одинаковыми номерами на разных сторонах диска. Номера цилиндров совпадают с номерами дорожек;

5. кластер – совокупность секторов, имеющих смежные номера. Может состоять из одного сектора (для дискет) или нескольких (для винчестера). Является минимальным адресуемым элементом данных для операционной системы. Кластеры используются операционной системой для добавления данных к файлу: добавление очередной «порции» данных к файлу выполняется в объеме кластера независимо от того, что реальный объем добавляемых меньше объема кластера. Это приводит к нерациональному расходованию внешней памяти. Поэтому не рекомендуется хранить на диске большое количество маленьких файлов: они имеют много пустых «хвостов».

Разбивка непрерывного пространства поверхности диска на указанные элементы (можно эту процедуру назвать дискретизацией) выполняется при его форматировании. При этом также формируется маркер начала и конца дорожки, места расположения секторов, в сектора записывается служебная информация.

Дискретное пространство диска имеет, в свою очередь, следующую структуру (она описана в порядке возрастания номеров сторон, дорожек и секторов):

1. таблица разделов PT (Partition Table). Состоит из четырех элементов, описывающих разделы диска, причем операционные системы используют только первые два элемента. Описание раздела диска содержит данные о первых и последних головках чтения-записи, дорожках, секторах раздела, общем количестве секторов в разделе, типе файловой системы и признак того, что раздел является загрузочным;

2. главная загрузочная запись MBR (MasterBootRecord). Содержит код процессора, необходимый для дальнейшей загрузки операционной системы;

3. загрузочная запись операционной системы BR (BootRecord). Содержит следующую информацию: программу загрузки операционной системы, размер кластера, количество копийFAT, количество файлов в корневом каталогеRoot, размерFATи некоторую другую информацию;

4. таблица размещения файлов FAT (FileAllocationTable) и ее копии. Содержит полную карту принадлежности кластеров файлам и используется операционными системами для хранения сведений о размещении файлов на диске и о «плохих» (bad) кластерах. В силу важностиFATона дублируется несколько раз;

5. корневой каталог Root. Это таблица, в которой каждая запись соответствует файлу или подкаталогу⁷, подчиненному корневому каталогу диска, и имеет структуру:

• имя файла или подкаталога;

• тип файла,

• атрибуты, в которых определяются следующие параметры файла или подкаталога: предназначенность только для чтения, скрытость, системность, маркер принадлежности данной записи метке тома, признак принадлежности данной записи подкаталогу, а не файлу, архивность;

• время создания;

• дата создания;

• номер начального кластера файла или подкаталога;

• размер файла;

6. область размещения файлов FA (FileArea). Содержит файлы и подкаталоги, которые описаны вRoot.

Взаимосвязь областей Root,FAT,FAпри поиске файла или каталога по его имени, указанному, например, в командеMSDOS, показана ниже.

Пусть файл с именем ABC.TXTрасположен в областиFAв тех кластерах, которые выделены серым цветом (их номера показаны ниже):

10 11 12 13 14 15 16 17

Остальные кластеры свободны. Тогда в FATв записях с номерами 10 – 17 появятся данные, показанные в таблице:

№ записей FAT	Содержимое записи FAT
10	12
11
12	15
13
14
15	17
16
17	EOF

Каждая запись FAT, как видно из таблицы, соответствует одному кластеру и либо содержит номер следующей записи в FAT, соответствующей кластеру с продолжением файла, либо пуста (для незанятых кластеров). Строго говоря, для свободных или «плохих» кластеров записи в FATзаполняются специальными соответствующими кодами.

В области Rootимеется запись с описанием файлаABC.TXTследующей структуры:

Имя файла	Тип файла	…	Номер первого кластера	…
ABC	TXT		10

Тогда при упоминании имени файла в команде операционная система выполняет следующие действия:

• обращается в область Root, адрес которой фиксирован и известен, и находит там нужную запись (напомним, что операционные системы требуют уникальности имен файлов и подкаталогов, содержащихся в одной директории). Выбирает из этой записи номер первого кластера;

• обращается к FAT, адрес которой фиксирован и известен, и по номеру первого кластера находит соответствующую запись FAT;

• в найденной записи FATвыбирает содержимое записи – это номер следующей записиFATс описанием продолжения (или окончания) файла;

• если очередная запись FAT содержит EOF, “сборка” файла закончена; иначе повторяется предыдущий шаг.