2.5.2. 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.

3. Запоминающие устройства

В

Процессор

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

Внутренняя память

Кэш-память

Основная 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, ком­пакт­ных запо­ми­нающих уст­ройств – «твердотельных дис­ков», так и для замены ПЗУ.

Накопители на магнитной ленте. Как отмечалось, исторически пер­выми магнитными носителями в машинах 1 и 2 поко­ления были магнитные ленты (цифровые магнитофоны) и магнитные бара­баны. В универсальных ЭВМ широко использовались и использу­ются накопи­тели на бобинной маг­нитной ленте, а в персональных ЭВМ - на­копители на кас­сет­ной магнитной ленте. Последние весьма разнообразны: они отличаются как шири­ной при­меняемой магнитной ленты, так и конст­рукцией и носят название стриме­ров. Стримеры просты в использовании и обеспечивают самое дешевое хра­нение дан­ных. Основными преиму­щест­вами кассетной ленты по сравнению с дру­гими но­си­телями информации яв­ляется ее отно­сительно малая стоимость и большой объем памяти. Главный же не­достаток ее со­стоит в том, что на дос­туп к информации за­трачивается больше вре­мени, чем при других ви­дах па­мяти.

Итак, персональные ЭВМ имеют четыре иерархических уровня памяти: мик­ро­процессор­ную память, регистровую КЭШ-память (1-го и 2-го уров­ней), основную память, внеш­нюю память.

Тип памяти	Емкость
МПП	Десятки байт
КЭШ-память	Сотни Кбайт
ОП ОЗУ ПЗУ	Десятки Мбайт – единицы Гбайт Сотни Кбайт
ВЗУ НГМД НЖМД CD-ROM	Единицы Мбайт Сотни Гбайт Сотни Мбайт – единицы Гбайт

Следует сказать, что кроме постоянной памяти и обычной оперативной па­мяти, в IBM PC - совместимых компьютерах имеется также небольшой блок па­мяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Эта часть памяти («Setup») явля­ется энергонезависимой, т.е. питается от отдельной ба­тареи, и в ней со­держатся пара­метры на­стройки конфигурации компьютера, например, типы же­ст­ких дисков и дисководов для дискет и т.д. Содержимое этой памяти (кото­рую называют иногда полупостоянной) не изменяется при выключении элек­тропита­ния компьютера, по­скольку для ее электропитания используется специ­альная ба­тарея, срок годности ко­торой обычно несколько лет. При замене бата­реи необхо­димо обновлять основ­ные установки.