Архитектура персонального компьютера

    В конце последнего (в данном случае пятого) такта выполнения команды  в регистр-счетчик адреса команд МПП будет добавлено число, равное количеству байтов, занимаемых кодом  выполненной команды программы. Поскольку емкость одной ячейки памяти ОЗУ равна 1 байту и команды  программы в ОЗУ размещены  последовательно друг за другом, в  регистре-счетчике адреса команд будет  сформирован адрес следующей  команды машинной программы, и машина приступит к ее исполнению и т. д. Команды будут выполняться  последовательно одна за другой, пока не завершится вся программа. После  завершения программы управление будет  передано обратно в программу Command.com операционной системы.

Запоминающие  устройства ПК

    Память  компьютера построена из двоичных запоминающих элементов — битов, объединенных в группы по 8 битов, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения  информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом. Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова — два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использования ячеек  памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово). Как правило, в  одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако допускаются  переменные форматы представления  информации.

Таблица 1.

Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров.

    Широко  используются и более крупные  производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Терабайт и  Петабайт.

    Современные компьютеры имеют много разнообразных  запоминающих устройств, которые сильно отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости  хранения одинакового объёма информации. Различают два основных вида памяти — внутреннюю и внешнюю. В состав внутренней памяти входят оперативная  память, кэш-память и специальная  память.

    Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory — память с произвольным доступом) — это  быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно  связанное с процессором и  предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

    Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так  как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной  памяти прямой — это означает, что  каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес. Объем ОЗУ обычно составляет 32 – 512 Мбайта, а для эффективной  работы современного программного обеспечения  желательно иметь не менее 256 Мбайт  ОЗУ. Обычно ОЗУ исполняется из интегральных микросхем памяти DRAM (Dynamic RAM — динамическое ОЗУ). Микросхемы DRAM работают медленнее, чем другие разновидности памяти, но стоят дешевле.

    Каждый  информационный бит в DRAM запоминается в виде электрического заряда крохотного конденсатора, образованного в структуре  полупроводникового кристалла. Из-за токов  утечки такие конденсаторы быстро разряжаются, и их периодически (примерно каждые 2 миллисекунды) подзаряжают специальные  устройства. Этот процесс называется регенерацией памяти (Refresh Memory). Современные  микросхемы имеют ёмкость 1 – 16 Мбит и более. Они устанавливаются  в корпуса и собираются в модули памяти.

    Наиболее  распространены модули типа DIMM и SIMM. В  модуле SIMM элементы памяти собраны  на маленькой печатной плате длиной около 10 см. Ёмкость таких модулей неодинаковая — 256 Кбайт, 1, 2, 4, 8, 16, 32 и 64 Мбайта. Различные модули SIMM могут иметь разное число микросхем — девять, три или одну, и разное число контактов — 30 или 72.

    Важная  характеристика модулей памяти —  время доступа к данным, которое  обычно составляет 60 – 80 наносекунд.

    В настоящее время SIMM’ы практически  не применяются. На их смену пришли DIMM, а на смену DIMM приходят DDR и RIMM, но по сравнению с DIMM они имеют немного  большую стоимость и соответственно повышенную скорость обмена.

    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.

    Кэш-память реализуется на микросхемах статической  памяти SRAM (Static RAM), более быстродействующих, дорогих и малоёмких, чем DRAM. 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.

    К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая  постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM, питаемая от батарейки, видеопамять  и некоторые другие виды памяти.

    Постоянная  память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая  память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют  изменения. Содержание памяти специальным  образом “зашивается” в устройстве при его изготовлении для постоянного  хранения. Из ПЗУ можно только читать. Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) — энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

    Прежде  всего, в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы  управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска  и остановки компьютера, тестирования устройств.

    Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS. BIOS (Basic Input/Output System —  базовая система ввода-вывода) —  совокупность программ, предназначенных  для:

• автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера;
• загрузки операционной системы в оперативную память.

    Роль BIOS двоякая: с одной стороны, это  неотъемлемый элемент аппаратуры (Hardware), а с другой стороны — важный модуль любой операционной системы (Software).

    CMOS RAM — это память с невысоким  быстродействием и минимальным  энергопотреблением от батарейки.  Используется для хранения информации  о конфигурации и составе оборудования  компьютера, а также о режимах  его работы. Содержимое CMOS изменяется  специальной программой Setup, находящейся  в BIOS (англ. Set-up — устанавливать,  читается "сетап").

    Для хранения графической информации используется видеопамять. Видеопамять (VRAM) — разновидность  оперативного ЗУ, в котором хранятся закодированные изображения. Это ЗУ организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам — процессору и дисплею. Поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти.

    Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного  хранения программ и данных, и целостность  её содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи  с процессором. В состав внешней  памяти компьютера входят:

• накопители на жёстких магнитных дисках;
• накопители на гибких магнитных дисках;
• накопители на компакт-дисках;
• накопители на магнитооптических компакт-дисках;
• накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.

    Гибкий  диск, дискета (англ. floppy disk) — устройство для хранения небольших объёмов  информации, представляющее собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с  одного компьютера на другой и для  распространения программного обеспечения. Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее  покрытие. В упаковке сделаны с  двух сторон радиальные прорези, через  которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.

    Способ  записи двоичной информации на магнитной  среде называется магнитным кодированием. Он заключается в том, что магнитные  домены в среде выстраиваются  вдоль дорожек в направлении  приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обычно устанавливается однозначное соответствие между двоичной информацией и  ориентацией магнитных доменов. 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 512 байтов.

    На  дискете можно хранить от 360 Килобайт до 2,88 Мегабайт информации. 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 мин^–1. В накопителе вращается сама дискета, магнитные головки остаются неподвижными. Дискета вращается только при обращении к ней. Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

    Если  гибкие диски — это средство переноса данных между компьютерами, то жесткий  диск — информационный склад компьютера. Накопитель на жёстких магнитных  дисках (англ. HDD — Hard Disk Drive), или винчестерский  накопитель — это наиболее массовое запоминающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины — платтеры, обе поверхности которых  покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации — программ и данных.

Рис. 1. Жесткий  диск со снятой крышкой корпуса.

    Как и у дискеты, рабочие поверхности  платтеров разделены на кольцевые  концентрические дорожки, а дорожки  — на секторы. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем  данных. При установке модуля данных на дисковод он автоматически соединяется  с системой, подкачивающей очищенный  охлажденный воздух.

    Поверхность платтера имеет магнитное покрытие толщиной всего лишь в 1,1 мкм, а также  слой смазки для предохранения головки  от повреждения при опускании и подъёме на ходу. При вращении платтера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 0,5 мкм над поверхностью диска.

    Винчестерские накопители имеют очень большую  ёмкость: от сотен Мегабайт до десятков Гбайт или даже сотни Гбайт. У  современных моделей скорость вращения шпинделя достигает 5600 — 7200 оборотов в  минуту, среднее время поиска данных — 10 мс, максимальная скорость передачи данных до 40 Мбайт/с. В отличие от дискеты, винчестерский диск вращается  непрерывно. Винчестерский накопитель связан с процессором через контроллер жесткого диска. Все современные  накопители снабжаются встроенным кэшем (64 Кбайт и более), который существенно  повышает их производительность.

Рис. 2. Накопители на компакт-дисках.

    CD-ROM состоит из прозрачной полимерной  основы диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм. Одна сторона покрыта тонким алюминиевым слоем, защищенным от повреждений слоем лака. Двоичная информация представляется последовательным чередованием углублений (pits — ямки) и основного слоя (land — земля). На одном дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч дорожек с информацией. Для сравнения — на дюйме по радиусу дискеты всего лишь 96 дорожек. Ёмкость CD до 780 Мбайт. Информация заносится на диск на заводе и не может быть изменена.