6.3. Состав эвм, назначение основных элементов

Традиционный настольный персональный компьютер (ПК) состоит из системного блока, монитора, клавиатуры и мыши. Системный блок содержит: блок питания, системную (материнскую) плату, адаптеры внешних устройств, накопители на жестких и гибких магнитных дисках, а также ряд других устройств.

Для нас вначале наибольший интерес представляет системная плата, на которой размещаются оперативная память, процессор и логика управления, связанные между собой наборами проводников, которые называются шинами.

Микропроцессор. «Мозгом» персонального компьютера является микропроцессор или центральный процессор (ЦП), который выполняет практически всю обработку данных (за исключением некоторых математических операций, осуществляемых сопроцессором). ЦП выполняет машинные команды, выбирая их в заданной последовательности из оперативной памяти. Работа всех электронных устройств компьютера координируется сигналами управления, вырабатываемыми ЦП.

Одними из первых характеристик, которые указывают при описании процессора являются разрядности его шин адреса и данных. Под шиной в данном случае подразумевается просто набор проводников, по которым передаются однотипные сигналы. В обычном компьютере имеется несколько шин, а у каждого процессора – две основные шины, по которым передаются данные (шина данных) и адреса памяти (шина адреса).

Данные в компьютере передаются в цифровом виде – единичному биту соответствует посылка напряжения высокого уровня (около +5 В), а нулевому – низкого (около 0 В).

По шине адреса передается адресная информация для выбора ячейки памяти, в которую или из которой пересылаются данные. По каждому проводнику передается один разряд адреса. Чем больше проводников (разрядов) участвует в формировании адреса, тем больше количество адресуемых ячеек. Разрядность шины адреса определяет максимальный объем адресуемой процессором памяти. В процессорах 8086 и 8088 используется 20-разрядная шина адреса, поэтому они могут адресовать (1 M) байт памяти. В процессорах 286 и 386SX используется 24-разрядная шина адреса, и они могут адресовать 16 M байт памяти. В процессорах 386DX, 486, Pentium используется 32-разрядная шина адреса, и они могут адресовать 4 Г байт памяти.

Шины данных и адреса независимы, и разработчики микросхем выбирают их разрядности по своему усмотрению. Разрядности этих шин являются показателями возможностей процессора: количеством разрядов в шине данных определяется способность процессора обмениваться информацией, а разрядностью шины адреса – то, с каким объемом памяти он может работать. Ниже приведена информация о шинах данных и адреса у основных моделей процессоров.

Важной характеристикой процессора является разрядность его внутренних регистров. Разрядностью внутренних регистров определяется, какое количество бит данных процессор способен обработать за один прием. В большинстве современных процессоров внутренние регистры 32-разрядные.

Оперативная память. Оперативная память физически выполнена в виде микросхем и предназначена для временного хранения программ и данных, которыми они манипулируют. Логически оперативную память можно представить в виде последовательности ячеек, каждая из которых имеет свой номер, называемый адресом. Использование оперативной памяти определяется тем, что считывание или запись в ее ячейку занимает доли микросекунды, а для других устройств это время в 10, а для медленных периферийных устройств даже в 1000 раз больше.

Адресное пространство первого персонального компьютера составляло всего 1 M, из которых 384 K было зарезервировано для использования самой системы. Размещение зарезервированного пространства в верхней области (между 640 K и 1 M), а не в нижней (между 0 K и 384 K) привело к появлению так называемого барьера основной памяти. Требование совместимости и сейчас не позволяют разработчикам отступать от стандартной конфигурации первого ПК, что в итоге привело к довольно запутанной (это еще мягко сказано) структуре памяти современных компьютеров. Несмотря на то, что после появления первого ПК прошло более десяти лет, в новейших системах существуют те же ограничения на использование памяти, что и в первых ПК.

Далее рассмотрим следующие разновидности памяти современных компьютеров:

1. Основная память (Conventional Memory). В первых компьютерах рабочее пространство памяти составляло 1 M. Это пространство было разделено на несколько областей, часть из которых предназначалась для специальных целей. DOS может обращаться ко всему пространству 1 M, но программы загружаются только в область ОЗУ, называемую основной памятью, размер ее в первом ПК составлял 512 K. Остальные 512 K были зарезервированы для “внутреннего использования” системной платой и платами адаптеров, установленными в слотах расширения. После выпуска первого ПК на фирме IBM пришли к выводу, что для системы достаточно 384 K, поэтому в последующих компьютерах объем доступной для пользователя памяти был увеличен до 640 K.

2. Область верхней памяти (Upper Memory Area – UMA). Под областью верхней памяти понимают зарезервированные 384 K (между 640 K и 1 M). Верхняя память разделена на несколько частей, в частности, одна из этих частей называется видеопамятью и предназначена для использования видеоадаптерами.

3. Область старшей памяти (High Memory Area – HMA). Это участок памяти, протяженностью на 16 байт меньше, чем 64 K и расположенный в самом начале первого мегабайта расширенной памяти. Эту область можно использовать для загрузки драйверов устройств и резидентных программ, что позволяет освободить часть основной памяти для программ реального режима. Одновременно в HMA можно загрузить только один драйвер или одну резидентную программу независимо от их размера.

4. Расширенная память (Extended Memory). Под расширенной памятью обычно подразумевается вся память за пределами первого мегабайта, которая становится доступной только при работе процессора в защищенном режиме. В компьютерах с процессорами 286 и 386SX объем расширенной памяти равен 16 M, а с процессорами 386DX, 486 или Pentium – 4 Г (4096 M).

5. Дополнительная память (Expanded Memory). Устаревшая разновидность. В некоторых старых программах может использоваться еще одна разновидность рамяти – EMS (Expanded Memory Specification). В отличии от основной и расширенной памяти, дополнительную память процессор непосредственно адресовать не может. К ней можно обращаться только черех небольшое окно размером 64 K, образуемое в области верхней памяти (UMA). Дополнительная память – это из многих коммутируемых сегментов специальной дополнительной платы памяти, на которой, помимо ИС ОЗУ, установлены и собственные схемы переключения и адресации.

6. Кэш-память. Кэш (англ. cache), или сверхоперативная память – очень быстрое ЗУ небольшого объёма, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. Кэш-памятью управляет специальное устройство – контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды вероятнее всего понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как «попадания», так и «промахи». В случае попадания, то есть, если в кэш подкачаны нужные данные, извлечение их из памяти происходит без задержки. Если же требуемая информация в кэше отсутствует, то процессор считывает её непосредственно из оперативной памяти. Соотношение числа попаданий и промахов определяет эффективность кэширования. Современные микропроцессоры имеют встроенную кэш-память, так называемый кэш первого уровня размером 8–16 Кбайт. Кроме того, на системной плате компьютера может быть установлен кэш второго уровня ёмкостью от 64 Кбайт до 256 Кбайт и выше.

7. Видеопамять (Video RAM Memory).

8. ПЗУ адаптеров и специальные ОЗУ.

9. ПЗУ системной BIOS.

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД). Магнитные диски служат для организации внешней памяти. Внешняя память используется для длительного хранения больших объемов информации, не разрушаемой при выключении питания ЭВМ.

Гибкий магнитный диск (дискета) представляет собой круглую гибкую пластину, покрытую магнитным материалом. Она помещена в квадратный предохранительный корпус.

Данные на дискете размещаются по дорожкам, представляющим собой замкнутые концентрические окружности. Дорожки делятся на части, называемые секторами. Последние представляют собой основную единицу хранения информации. При обращении к накопителю всегда записывается или считывается целый сектор независимо от объема запрашиваемой информации.

Данные могут размещаться как на одной стороне дискеты, так и на двух. Каждая из них имеет 40 или 80 дорожек. Любая дорожка содержит 8, 9 или 15 секторов. Нулевая дорожка размещается ближе всего к внешнему краю дискеты.

Важная характеристика диска – плотность записи. При записи 40 дорожек данных на поверхности диска плотность считается двойной, а 80 дорожек – четверной. Размер сектора для диска диаметром 5.25 дюйма, поддерживаемый BIOS, может составлять 128, 256, 512 и 1024 байт (в операционной системе MS-DOS) используется размер 512 байт.

Разметка дорожек на сектора осуществляется двумя способами: фиксированным, или аппаратным, и программным. Для машин семейства IBM PC расположение дорожек на диске и число сторон определяются характеристиками НГМД и, по существу, являются неизменными. Однако количество секторов на дорожке и их размер можно задать программно в процессе форматирования.

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД). Основными элементами накопителя являются несколько алюминиевых или стеклянных пластинок. В отличие от гибких дисков, их нельзя согнуть – отсюда и появилось название – «жесткий диск».

Накопители на жестких дисках иногда называют «винчестерами». Этот термин возник в 60-е годы, когда фирма IBM выпустила быстродействующий накопитель с одним несъемным и одним сменным диском емкостью по 30 M каждый. Фирменное обозначение этого накопителя было 30-30. и вскоре все устройства такого типа стали называть «винчестерами» по аналогии со знаменитой винтовкой 30-30.

НЖМД характеризуются собственными форматами данных. Любой такой диск имеет физический и логический формат. Первый из них определяет размер сектора (в байтах), число секторов в цилиндре (все дорожки, расположенные на одном расстоянии от центра, образуют цилиндр), число цилиндров и число сторон. Логический формат определяет способ организации информации.

Жесткие диски поступают к потребителю с определенным физическим форматом, который устанавливается в процессе изготовления диска. Логическая структура жесткого диска задается программистом, причем это должно быть сделано до его использования операционной системой. Установка логической структуры осуществляется в два этапа. прежде всего диск необходимо разбить на части, каждую из которых разрешается использовать своей операционной системой. Затем каждую из этих частей необходимо сформатировать в соответствии с требованиями системы, для которой она предназначена.

Накопители на компакт-дисках (CD-ROM). CD-ROM – это оптический носитель информации, на котором может хранится до 650 M данных, что соответствует примерно 333000 страниц текста или 74 минутам высококачественного звучания.

Компакт-диск сделан из полимерного материала (на основе поликарбонатов) и покрыт слоем металла (обычно одним из сплавов алюминия). Информация считывается именно с этой металлической пленки. Поверх алюминия наносится еще один слой полимерного покрытия (лака), защищающего металл от повреждений. CD-ROM – это односторонние носители. Все этикетки и надписи наносятся на верхнюю сторону диска, а считывание информации осуществляется с нижней поверхности.

Считывание информации с диска происходит за счет регистрации изменений интенсивности отраженного от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. Оно поступает на фотодатчик, величина электрического сигнала с которого зависит от того, отразился ли луч от гладкой поверхности или был рассеян на неоднородности. Углубления (штрихи), нанесенные на компакт-диск в процессе записи, и представляют из себя такие неоднородности. Более сильный сигнал с датчика соответствует ровной поверхности, более слабый – углублению. При прохождении луча вдоль дорожки записи формируется последовательность импульсных электрических сигналов, преобразуемых затем специализированным процессором либо в форму двоичных данных, либо в звук.

Мониторы. Как и любому другому устройству, монитору необходим источник входных сигналов. Сигналы для монитора вырабатываются видеосхемами, находящимися внутри компьютера. В некоторых компьютерах видеосхемы располагаются на системной плате. Однако в большинстве случаев используются отдельные платы, которые устанавливаются в слоты расширения. Такие платы расширения, формирующие видеосигналы, называются видеоплатами, видеоадаптерами или графическими платами.

На сегодняшний день существуют несколько отличающихся друг от друга типов дисплеев. Наиболее распространены мониторы с электронно-лучевыми трубками (ЭЛТ), аналогичными тем, что используются в телевизорах. На одном конце ЭЛТ расположена электронная пушка (в цветной трубке их три), на другом – экран, покрытый люминафором.

При нагреве электронная пушка испускает пучок электронов, которые направляются к другому концу трубки. Фокусирующие электроды и отклоняющие катушки формируют и направляют электронный луч в конкретную точку экрана. При попадании на него электронного луча люминафор начинает светиться.

Существуют и другие типы мониторов. Некоторые фирмы выпускают жидкокристаллические дисплеи (ЖК-дисплеи). У ЖК-дисплея плоский экран, и он потребляет значительно меньшую мощность (5 Вт по сравнению со 100 Вт у обычного монитора). Основой подобных экранов является слой жидких кристаллов (раствора одного из органических соединений, обладающего способностью поворачивать плоскость поляризации проходящего через него светового излучения), расположенный между двумя тонкими стеклянными фильтрами – поляризаторами.