Структура компьютера и принципы его функционирования Принципы

Структура компьютера и принципы его функционирования

Принципы функционирования вычислительной машины • В 1946 – 1948 годах в Принстонском университете (США) коллективом исследователей под руководством Джона фон Неймана был разработан проект ЭВМ, который никогда не был реализован, но идеи которого используются и по сей день. Этот проект получил название машины фон Неймана или Принстонской машины.

Принципы • 1) принцип программного управления; • 2) принцип условного перехода; • 3) принцип размещения программы в памяти; • 4) принцип иерархии памяти; • 5) принцип двоичной системы счисления.

Синие стрелки показывают управляющие связи, по которым передаются управляющие сигналы, красные стрелки представляют информационные связи, по которым передаются данные и программы. Структура Принстонской машины

Назначение отдельных элементов схемы и их взаимосвязь в процессе функционирования ЭВМ http: //www. klgtu. ru/students/literature/inf_asu/

Через устройство ввода (УВВ) в память (П) вводится программа – набор команд, предписывающих ЭВМ выполнять требуемые действия (на схеме связь 1). При вводе программы (а позже и данных) выполняется отображение вводимой информации во внутреннее представление, принятое в ЭВМ.

После размещения программы в памяти устройство управления (УУ) выбирает последовательно команду за командой из памяти (связь 2) и интерпретирует ее по следующим правилам: Если выбранная команда является командой ввода данных, УУ посылает управляющий сигнал (связь 3) в УВВ для начала ввода данных. Данные также вводятся по связи 1 и размещаются в памяти П;

Если выбранная команда связана с выполнением арифметических или логических операций, то в память П из УУ посылается сигнал (связь 4) на выборку указанных в команде данных с последующей их пересылкой в арифметикологическое устройство (АЛУ) (связь 5), а в само АЛУ передается сигнал с кодом нужной операции (связь 7). АЛУ выполняет арифметические и логические действия над переданными операндами. После выполнения требуемых действия, АЛУ возвращает результат в память П (связь 6);

Если выбранная команда является командой вывода, УУ генерирует управляющий сигнал устройству вывода (УВВ) (связь 8) на начало операции по выводу данных. Сами данные выбираются из памяти П по связи 9. УВВ выводит информацию из ЭВМ и преобразует ее из внутреннего представления во внешнее.

Память и виды памяти

• В соответствии с принципом иерархии памяти блок Память на рисунке делится на два блока – внешняя и внутренняя память. • Внешняя память традиционно отводится для долговременного хранения данных и программ, а сама оперативная обработка данных в соответствии с программой, выполняется во внутренней памяти. О памяти В современных компьютерах блоки УУ и АЛУ объединены в блок, называемый процессором. В состав процессора, кроме УУ и АЛУ , входят также несколько регистров – специальных небольших областей памяти, куда процессор помещает промежуточные результаты и некоторую другую информацию, необходимую ему в ближайшие такты работы.

Память — это… • Память — это устройство для хранения информации. • В компьютере используется память нескольких типов, отличающихся по своему функциональному назначению и, как следствие, способами хранения информации, а также конструктивно.

Основные операции с памятью • При чтении порции информации из памяти осуществляется передача ее копии в другое устройство, где с ней производятся определенные действия. • После считывания информация не исчезает и хранится в той же области памяти до тех пор, пока на ее место не будет записана другая информация. • При записи (сохранении) информации предыдущие данные, хранящиеся на этом месте, стираются. Вновь записанная информация хранится до тех пор, пока на ее место не будет записана другая.

Виды памяти • 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.

Внутренняя и внешняя память

Внутренняя память компьютера предназначена для оперативной обработки данных. Она является более быстрой, чем внешняя память, что соответствует принципу иерархии памяти. Следуя этому принципу, можно выделить уровни иерархии и во внутренней памяти. К внутренним запоминающим устройствам относятся: регистровая память (составная часть процессора); оперативная память; кэш – память; постоянная память.

Регистровая память • Регистры – внутренняя память процессора, в которой хранятся промежуточные результаты обрабатываемых процессором данных. • Она имеет высокое быстродействие, сопоставимое с быстродействием процессора, и малую емкость (сотни байтов). • Данные загружаются в регистры из оперативной памяти, обрабатываются в них процессором, а потом опять переписываются в оперативную память.

Виды внутренней памяти

Оперативная • В нее помещаются программы для выполнения и данные для работы программы, которые используются микропроцессором. • Она обладает большим быстродействием и является энергозависимой. • Обозначается RAM - Random Access Memory -память с произвольным доступом;

Кэш-память • кэш-память (от англ. caсhe – тайник). • Кроме оперативной памяти в состав персонального компьютера входит кэш-память – память процессора. • Но часто и различные внешние устройства (например, накопители на дисках) имеют свою собственную кэш – память. Она не относится к внутренним запоминающим устройствам и является специализированной памятью конкретного устройства. Кроме того, в современных операционных системах всегда используется кэширование дисков. • Для кэширования выделяется область оперативной памяти, через которую происходит обмен данными накопителями.

Постоянная память • постоянная память - BIOS (Basic Input-Output System). В нее данные занесены при изготовлении компьютера. Обозначается ROM - Read Only Memory. Хранит: • программы для проверки оборудования при загрузке операционной системы; • программы начала загрузки операционной системы; • программы по выполнению базовых функций по обслуживанию устройств компьютера; • программу настройки конфигурации компьютера - Setup.

Еще память… • полупостоянная память - CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Хранит параметры конфигурации компьютера. Обладает низким энергопотреблением, потому не изменяется при выключении компьютера, т. к. питается от аккумулятора; • видеопамять. Используется для хранения видеоизображения, выводимого на экран. Входит в состав видеоконтроллера.

Внутренняя память дискретна • Внутренняя память дискретна. Элементарной (минимальной) единицей хранения информации является бит. Он может содержать 02 или 12. • Однако компьютер при работе с памятью для размещения или выборки данных из нее оперирует не битами, а байтами и более крупными единицами - словами и двойными словами. • В зависимости от класса компьютера слово - это два или четыре байта памяти. • Для обращения к элементам памяти они снабжаются адресами, начиная с нуля.

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

Слова, слова… • Разбиение памяти на слова для четырехбайтовых компьютеров представлено в таблице: Байт 0 Байт 1 Байт 2 Байт 3 Байт 4 Байт 5 Байт 6 Байт 7 ПОЛУСЛОВО СЛОВО ДВОЙНОЕ СЛОВО

Измерения информации Для облегчения работы с большими объемами памяти на практике применяют более крупные единицы, такие как: • Единицы памяти 1 Килобайт (Кбайт)=1024 байта 1 Петабайт (Пбайт)=1024 Тб 1 Мегабайт (Мбайт)=1024 Кб 1 Эксабайт (Эбайт)=1024 Пб 1 Гигабайт (Гбайт)=1024 Мб 1 Зетабайт (Збайт)=1024 Эб 1 Терабайт (Тбайт)=1024 Гб 1 Йоттабайт (Йбайт)=1021 Зб

Оперативная память

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

Другие названия ОП оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), основная оперативная память, основная память

Оперативная память • Оперативная память представляет собой множество ячеек, причём, каждая имеет свой уникальный адрес. Каждая ячейка памяти имеет объём 1 байт. • Оперативная память обладает двумя свойствами: дискретность и адресуемость. • Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так когда машина выключается, всё, что находилось в ОЗУ пропадает. • Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес. • Важная характеристика модулей памяти — время доступа к данным (нс).

Работает оперативная память в непосредственном взаимодействии с центральным процессором и внешними устройствами компьютера. Внешние устройства именно оперативной памяти в первую очередь сообщают свои данные. Таким образом, информация сначала попадает с винчестера на ОЗУ, а затем уже обрабатывается процессором. http: //27 sysday. ru/kak-vybratoperativnuyu-pamyat/#ixzz 2 i. HUj. RRVm

• В оперативной памяти на стадии выполнения могут одновременно находится несколько программ. • Кроме того, в оперативной памяти могут находиться как обрабатываемые, так и уже обработанные программой данные. • Оперативная память представляет собой последовательность пронумерованных байтов. Каждый байт имеет свой собственный номер, который называют адресом.

• Содержимое любого байта памяти может обрабатываться независимо от остальных байтов. • Указав адрес байта, можно прочитать код, который в нем записан или записать в этот байт какой – либо другой код. • Поэтому оперативную память называют еще прямоадресуемой памятью, памятью с прямым доступом, и обозначают RAM (Random Access Memory- память произвольного доступа).

Кэш память

Кэш-память • Она служит буфером между RAM и микропроцессором и позволяет увеличить скорость выполнения операций, т. к. является сверхбыстродействующей. • В нее помещаются данные, которые процессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Эта память хранит копии наиболее часто используемых участков RAM. • При обращении микропроцессора к памяти сначала ищутся данные в кэш-памяти, а затем, если остается необходимость, в оперативной памяти.

Кэш- память • В общем случае под кэш – памятью понимается быстродействующая память, предназначенная для ускорения доступа к данным, размещенным в памяти, обладающим меньшим быстродействием. • Принцип ее работы состоит в том, что по мере работы устройства кэш – память заполняется данными из памяти, обладающей меньшим быстродействием, и при последующих обращениях к оперативной памяти сначала проверяется наличие этих данных в кэш – памяти.

Принцип работы кэш-памяти

Постоянная память • В состав внутренней памяти входит постоянная память. • Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory - память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержимое памяти специальным образом "зашивается" в устройство при его изготовлении для постоянного хранения. • Из ПЗУ можно только читать.

Постоянная память • 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. • Этот комплекс программ образует базовую систему ввода - вывода -BIOS

BIOS (Basic Input/Output System) • Важнейшей микросхемой постоянной памяти является модуль BIOS. • BIOS (Basic Input/Output System - базовая система ввода-вывода) — совокупность программы предназначенных для: • автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера • загрузки операционной системы в оперативную память

BIOS (Basic Input/Output System) • Позволяет установить характеристики: типы видеоконтроллера, жестких дисков и дисководов для дискет, режимы работы с RAM, запрос пароля при загрузке и т. д;

CMOS-память • Кроме обычной оперативной памяти и постоянной памяти, в компьютере имеется также небольшой участок памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. • Его часто называют CMOS-памятью, поскольку эта память обычно выполняется по технологии CMOS (complementary metal-oxide semiconductor), обладающей низким энергопотреблением. • Содержимое CMOS памяти не изменяется при выключении электропитания компьютера, поскольку для ее электропитания используется специальный аккумулятор.

Внешняя память

Внешняя память (ВЗУ) • 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. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке: ВЗУ ОЗУ КЭШ ПРОЦЕССОР

Состав внешней памяти • В состав внешней памяти компьютера входят: • накопители на жёстких магнитных дисках • накопители на магнитооптических компакт-дисках • накопители на магнитной ленте и др. • накопители на компакт-дисках

Жесткий диск • Жесткий диск (накопители на жестких магнитных дисках, НЖМД) - тип постоянной памяти. В отличие от оперативной памяти, данные, хранящиеся на жестком диске, не теряются при выключении компьютера, что делает жесткий диск идеальным для длительного хранения программ и файлов данных, а также самых важных программ операционной системы. • Эта его способность (сохранение информации в целостности и сохранности после выключения) позволяет доставать жесткий диск из одного компьютера и вставлять в другой.

Жесткий диск 2 • При включении компьютера BIOS проводит POST (самотестирование при включении компьютера) и проверяет, есть ли дискета в дисководе. • Если ее нет, она обращается к жесткому диску и копирует короткую программу, называемую "загрузочная память", с жесткого диска в оперативную память. • Затем она (BIOS) передает управление компьютером загрузочной программе, которая наблюдает за загрузкой операционной системы. • Как только система загружена, загрузочная программа стирается из памяти, передавая управление компьютером полностью загруженной операционной системе.

Жесткий диск-устройство • Жесткие диски очень надежны для хранения большого объема информации и данных. Внутри запечатанного жесткого диска находятся один или больше несгибающихся дисков, покрытых металлическими частицами. Каждый диск имеет головку (маленький электромагнит), встроенную в шарнирный рычаг, который движется над диском при его вращении. Головка намагничивает металлические частички, заставляя их выстраиваться для представления нулей и единиц двоичных чисел.

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

Винчестер = жесткий диск • Носителями информации в винчестере —являются круглые алюминиевые пластины - плоттеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Рабочие поверхности плоттеров разделены на кольцевые концентрированные 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 охлаждённый воздух.

Винчестер (а это сленг) • Поверхность плоттера имеет магнитное покрытие толщиной лишь в 1, 1 мкм. • При вращении плоттера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 0, 5 мкм над поверхностью диска. • Винчестер связан с процессором через контроллёр жёсткого диска.

Накопитель на жёстких магнитных дисках (HDD - Hard Drive Disk)

HDD

Внешняя память Hard Drive Disk

Внешняя память

Винчестер • Винчестер, или жесткий диск, - самая важная составляющая компьютера. На нем хранится операционная система, программы и данные. Без банка данных придется информацию каждый раз вводить вручную. • Жесткий диск - механическое устройство компьютера, и от него может быть больше проблем, чем от электронных устройств. На самом деле оно очень надежно. Диски собирают в чистых комнатах, в которых воздух постоянно фильтруется, и удаляются частички пыли. Собирают винчестеры из магниточувствительного материала. • Перед использованием новые жесткие диски нужно отформатировать. Этот процесс состоит в прокладывании магнитных концентрических дорожек и в их разбивке на маленькие сектора. Если на жестком диске были записаны данные, то его форматирование ведет к полному их уничтожению.

Винчестер • За счет гораздо большего количества дорожек на каждой стороне дисков и большого количества дисков информационная емкость жесткого диска может достигать 150 -200 Гбайт. Скорость записи и считывания информации с жестких дисков достаточно велика (может достигать 133 Мбайт/с) за счет быстрого вращения дисков (до 7200 об. /мин). • В жестких дисках используются достаточно хрупкие и миниатюрные элементы (пластины носителей, магнитные головки и пр. ), поэтому в целях сохранения информации и работоспособности жесткие диски необходимо оберегать от ударов и резких изменений пространственной ориентации в процессе работы.

А почему винчестер?

А почему винчестер? • По одной из версий, название «винчестер» (англ. Winchester) накопитель получил вследствие того, что при его разработке (1973 год) инженеры использовали краткое внутреннее название « 30 -30» , что означало два модуля (в максимальной компоновке) по 30 мегабайт каждый, что по созвучию совпало с обозначением популярного охотничьего оружия — винтовки Winchester Model 1894, использующего винтовочный патрон 30 -30 Winchester. • В Европе и США название «винчестер» вышло из употребления в 1990 -х годах, в русском же языке сохранилось и получило полуофициальный статус, а в компьютерном сленге сократилось до слова «винт» (наиболее используемый вариант).

CD / DVD

CD-ROM / DVD-ROM • Пишущий CD-ROM может записывать информацию любого типа - музыку, изображение или текст. • Есть записываемые диски, на которые можно записать информацию только один раз (CD-R). • Но есть и перезаписываемые диски (CD-RW), они стоят дороже, но позволяют стирать информацию и добавлять новую. • Однако, если вы записываете музыку на перезаписываемый компакт-диск, вы можете его слушать только на ПК, а записываемый диск - на любом CD-плейере.

СD-ROM consist of

Оптический принцип записи и считывания информации • В лазерных дисководах CD-ROM и DVD-ROM используется оптический принцип записи и считывания информации. • В процессе записи информации на лазерные диски для создания участков поверхности с различными коэффициентами отражения применяются различные технологии: от простой штамповки до изменения отражающей способности участков поверхности диска с помощью мощного лазера. Информация на лазерном диске записывается на одну спиралевидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью. • В процессе считывания информации с лазерных дисков луч лазера, установленного в дисководе, падает на поверхность вращающегося диска и отражается. Так как поверхность лазерного диска имеет участки с различными коэффициентами отражения, то отраженный луч также меняет свою интенсивность (логические 0 или 1). Затем отраженные световые импульсы преобразуются с помощью фотоэлементов в электрические импульсы и по магистрали передаются в оперативную память. • При соблюдении правил хранения (в футлярах в вертикальном положении) и эксплуатации (без нанесения царапин и загрязнений) оптические носители могут сохранять информацию в течение десятков лет.

Лазерные дисководы и диски • На лазерных CD-ROM (CD - Compact Disk, компакт диск) и DVD-ROM (DVD - Digital Video Disk, цифровой видеодиск) дисках хранится информация, которая была записана на них в процессе изготовления. Запись на них новой информации невозможна, что отражено во второй части их названий: ROM (Real Only Memory - только чтение). Производятся такие диски путем штамповки и имеют серебристый цвет. • Информационная емкость CD-ROM диска может достигать 650 -700 Мбайт, а скорость считывания информации в CD-ROM-накопителе зависит от скорости вращения диска. Первые CD-ROM-накопители были односкоростными и обеспечивали скорость считывания информации 150 Кбайт/с. В настоящее время широкое распространение получили 52 -скоростные CD-ROMнакопители, которые обеспечивают в 52 раза большую скорость считывания информации (до 7, 8 Мбайт/с).

Лазерные дисководы и диски • DVD-диски имеют гораздо большую информационную емкость (до 17 Гбайт) по сравнению с CD-дисками. • Во-первых, используются лазеры с меньшей длиной волны, что позволяет размещать оптические дорожки более плотно. • Во-вторых, информация на DVD-дисках может быть записана на двух сторонах, причем в два слоя на одной стороне. • Первое поколение DVD-ROM-накопителей обеспечивало скорость считывания информации примерно 1, 3 Мбайт/с. В настоящее время 16 скоростные DVD-ROM-дисководы достигают скорости считывания до 21 Мбайт/с.

Лазерные диски • Существуют CD-R и DVD-R-диски (R - recordable, записываемый), которые имеют золотистый цвет. Информация на такие диски может быть записана, но только один раз. • На дисках CD-RW и DVD-RW (RW - Re. Writable, перезаписываемый), которые имеют "платиновый" оттенок, информация может быть записана многократно.

Лазерные дисководы • Для записи и перезаписи на диски используются специальные CD-RW и DVD-RW-дисководы, которые обладают достаточно мощным лазером, позволяющим менять отражающую способность участков поверхности в процессе записи диска. Такие дисководы позволяют записывать и считывать информацию с дисков с различной скоростью. Например, маркировка CD-RW-дисковода "40 х12 х48" означает, что запись CD-R-дисков производится на 40 кратной скорости, запись CD-RW-дисков - на 12 -кратной, а чтение - на 48 -кратной скорости.

Флэш-карты

Память разная нужна, память разная важна….