Конспект лекций МТ11, страница 4

По способу организации доступа к хранимой информации память подразделяется на:

1. RAM (Random Access Memory) – память с произвольным доступом. Процессы, как записи, так и считывания данных осуществляются по произвольному адресу (рис.10,а).

2. ROM (Read Only Memory) – память, из которой информация может только считываться. Адрес местонахождения данных также может быть произвольным (рис.10,б).

3. FIFO (First In First Out). Память, в принцип работы которой заложен известный принцип очереди "первым вошел, первым вышел". Используется в линиях задержки при вводе-выводе информации и для сопряжения различных устройств, имеющих различные временные характеристики работы. Формирование адреса и манипулирование информацией внутри области хранения данных осуществляется самим элементом памяти. При переполнении памяти выдается определенный сигнал. (Рис.10,в).

4. LIFO (Last In First Out). Работа памяти основана на принципе очереди наоборот "первым вошел, последним вышел". Это так называемая магазинная память или стек. Адрес и манипулирование данными также формируется самим элементом, а процесс переполнения объема памяти контролируется по сигналу переполнения (рис.10,г).

По способу физической организации (аппаратная реализация), заложенному в основу функционирования, оперативная память (RAM) бывает двух видов: статическая и динамическая. Каждая схема памяти характеризуется временем доступа – это время, в течение которого можно считать или записать информацию. Емкость памяти, измеряемая обычно в мегабайтах, определяет тот объем двоичной информации, который может быть записан во все ячейки.

Статическая память (Static RAM - SRAM) элемент памяти представляет собой триггер (состоит из 4-6 транзисторов), имеет два устойчивых состояния в виде уровня напряжения на электрическом выходе (логическая "1" и логический "0"). Время доступа может составлять 10-100 нс, обычно – 10-30 нс.

Доступ к информации, хранимой в памяти, может быть реализован следующим образом:

Синхронные SRAM – работают синхронно с микропроцессором. Процессы функционирования памяти и доступа к хранимой информации организованы с постоянной привязкой к тактовой частоте микропроцессора (синхронизированы частотой).

Асинхронные SRAM – работают без постоянной привязки к тактовой частоте и процессы записи/чтения информации протекают в соответствии с сигналами разрешения (Enable Signals), которые выставляет микропроцессор при обращении к памяти.

Пакетные SRAM – могут выдавать информацию пакетами (несколько друг за другом доступов к памяти). В первом цикле – первый адрес, далее – данные по этому и последующим адресам. Микросхема памяти сама определяет каждый следующий адрес.

Динамическая память (Dynamic RAM - DRAM) хранит информацию как заряд конденсатора (ячейка – транзистор + конденсатор); все время стремится потерять информацию, поскольку конденсатор разряжается токами утечки. Для сохранения информации, ее нужно регенерировать (Refresh) – подзаряжать конденсатор. Время доступа такой памяти составляет 50—70 нс.

Режимы обработки информации имеют следующие особенности:

FPM (Fast Page Mode) DRAM – быстрый страничный режим. Адрес ячейки памяти обычно определяется так: первая половина (младшие разряды) адреса формируют RAS (Row Address Strobe) адрес строки, а вторая половина (старшие разряды) адреса формируют CAS (Column Address Strobe) адрес столбца. При FPM за время длительного сигнала RAS (до 100 мкс) происходит множество CAS – циклов. При этом (в технологические промежутки времени) постоянно происходит регенерация памяти (восстановление утраченных зарядов конденсаторов).

EDO (Extended Data Out) DRAM – особенностью является увеличенное время доступности данных без регенерации, вследствие усовершенствованной конструкции (заряд конденсатора хранится больший промежуток времени).

Синхронная динамическая (Synchronous – SDRAM) – все сигналы доступа синхронизированы с внешней частотой микропроцессора.

Динамическая память более плотно упакована, поскольку ячейка памяти состоит из меньшего количества элементов (радиодеталей) и занимает меньшую площадь на поверхности интегральной схемы, а потому имеет бόльшую емкость и значительно дешевле, чем статическая.

О
сновная память, используемая в компьютере, - динамическая. Статическая используется как КЕШ–память, поскольку в этом случае необходима быстродействующая память. КЕШ – это информационный буфер между основной памятью и микропроцессором (рис.11). Микропроцессор обращается к памяти неравномерно; из-за этого иногда динамическая память не успевает обслуживать микропроцессор. Возникла идея создания буфера. Специальные алгоритмы – LRU (Least Recently Used) – наиболее часто использовавшихся данных, обеспечивают долговременное хранение в КЕШ-памяти тех данных, которые программа запрашивает наиболее часто.

В микропроцессорах "PENTIUM", помимо внешней используется и внутренняя КЕШ–память, которая располагается на той же микросхеме, что и микропроцессор. КЕШ для команд и для данных (раздельно).

Конструктивно память выпускается в виде SIMM (Single In line Memory Module) и DIMM (Dual In line Memory Module) модулей, отличающихся друг от друга разрядностью по шине данных. Кроме того, в ПК может использоваться также и специальная память, в качестве видеопамяти (строится на принципе двухпортовой связи), отличающаяся от выше перечисленных вариантов более высокой скоростью передачи информации.

5. Принципы построения и устройство дисковой памяти ПК

Дисковая память ПК предназначена для длительного хранения данных, в отличие от оперативной памяти, которая сохраняет данные только при наличии питающего напряжения. Получила название от основного элемента – диска, который хранит информацию. Основные устройства дисковой памяти:

1. Накопители на гибких (флоппи) дисках (ГД).

2. Накопители на жестких дисках (ЖД).

3. Накопители на магнитооптических дисках.

4. CD (Compact Disk) накопители: CD-ROM и WORM (Write Once Read Many), RW (Re-Writable), DVD.

Первый ЖД – 1973 г. – фирма IBM, емкостью 16 Кбайт – 30 цилиндров (дорожек) по 30 секторов. Называли: 30/30, – прозвище "винчестер" (калибр 30/30).

Физическое устройство магнитной дисковой памяти

В основе ЖД – изготавливаемые с высокой точностью Al-керамические (Al₂O₃) диски с магнитным покрытием. Скорость вращения – 3600, 5400, 7200 об/мин. Магнито-резистивные головки (MR) чтения-записи (read-write head) "парят" над поверхностью на расстоянии 0,05-0,13 мкм. В схемах накопителей для стабилизации скорости вращения, управления перемещением головок и операциями записи-считывании используются цифровые сигнальные микропроцессоры DSP (Digital Signal Processor).

Информация записывается секторами (несколько на дорожку (окружность)). Длина внешних дорожек больше, чем внутренних, поэтому и плотность записи на внутренних дорожках выше при одинаковом числе секторов (эффект прекомпенсации – уплотнения информации). В современных устройствах используется метод зонной записи – несколько зон с разным количеством секторов на дорожку, что позволяет увеличить емкость на 30%.

ЖД-накопитель может иметь в конструкции несколько дисков. Совокупность дорожек, расположенных на одном радиусе от оси дисков называют цилиндром. Все MR-головки последовательно нумеруются.

Для формирования структуры дорожек диска используется физическое или низкоуровневое форматирование (physical, low-level formatting). Структура диска на этом этапе включает байты информации, указывающие на начало каждого сектора, заголовки номера головки, сектора и цилиндра, а также байты контроля четности (CRC – Cyclic Redundancy Check) и коды для обнаружения ошибок (ECC – Error Correcting Code). На этом этапе также маркируются физически дефектные сектора. Их замена осуществляется путем переадресации на резервные.

Характеристики накопителей:

1. Емкость (Мб, Гб) – объем хранимой информации.

2. Среднее время доступа – временной интервал между запросом на выдачу и выдачей данных (мс).

3. Скорость передачи данных (Мб/с): внутренняя – от накопителя к встроенному интерфейсу, внешняя – от накопителя к системной шине.

4. Среднее время безотказной работы (MTBF – Mean Time Between Failure) (час).

Интерфейсы накопителей

Для подключения накопителей и других устройств используются различные интерфейсы. Интерфейс – электронная схема определенного стандарта для сопряжения устройства с системной шиной. Существуют следующие основные типы интерфейсов, осуществляющие подключение накопителей:

1. SCSI (Small Computer System Interface) (Shugart Associates) – интерфейс системного (не приборного) уровня, т.к. определяет общие принципы подключения устройств (логический и физический уровень). Является фактически шиной с принципом организации "ведущий"-"ведомый", причем одно и то же устройство может выступать как в роли ведущего, так и ведомого. Интерфейс осуществляет параллельную пересылку данных. Возможен синхронный и асинхронный способы передачи данных. Основной адаптер интерфейса, устанавливаемый на системную шину, может поддерживать до 7 устройств (рис.12) и имеет свою базовую систему ввода-вывода (BIOS). В стандарт "SCSI-2" была введена поддержка CD-ROM, оптических накопителей, сканеров и т.д. Для повышения производительности был разработан стандарт Wide SCSI-2, который содержит дополнительно 24 информационные линии; 8-разрядные устройства связываются по кабелю "А", а имеющие большую разрядность – по линии "Б". Fast SCSI-2 – увеличение рабочей частоты за счет более совершенных комплектующих (10 Мб/с).

2. I
   DE (Integrated Drive Electronics) (ATA-interface) – 1988 г. устройство объединяет и привод и контроллер. Поддерживается на уровне системной платы (BIOS), не требует специального программного обеспечения для подключения – драйвера. Паспорт диска (кол-во головок, цилиндров и секторов) хранится на самом диске. Часть диска занимают также служебные программы и таблица сбойных секторов. Имеет ограничение по длине кабеля – не более 50 см. Интерфейс обеспечивает командный обмен (24 команды) данными. Имеет ограничение по емкости ЖД (504 Мб) и допускает подсоединение до двух устройств к адаптеру (рис.13).

3. EIDE (Enhanced IDE) (Western Digital) – усовершенствованный интерфейс IDE:

   1. обеспечивается работа с дисками большей емкости (>504 Мб);

   2. реализованы новые режимы обмена данными (выше скорость);

   3. подключение до 4 устройств к одному адаптеру;

   4. поддержка других периферийных устройств (CD-ROM, стримеры).

Е
мкость диска определяется количеством цилиндров (С), магнитно-резистивных головок (H), секторов (S) на дорожку. А также размером сектора, который определен для конкретной операционной системы (например, 512 байт – для операционной системы типа MS-DOS). Емкость = H*C*S*512 байт.

Логическая организация дисковой памяти

Для выделения дискового пространства под размещение информации (файлов), а также для загрузки операционной системы (ОС), которая управляет ПК, была определена система организации дисковой памяти, включающая следующие основные области (рис.14).

1. З
   агрузочная запись (сектор) – BR (Boot Record) – занимает один сектор (нулевой), хранит информацию о диске и небольшую программу загрузки. В первом байте содержится код команды безусловного перехода JMP(E9h) и служит для перехода к начальному адресу программы IPL2 (Initial Program Loading 2). В секторе также хранится информация о версии операционной системы, количестве байт на сектор и секторов на кластер (так называемый, BIOS Parameter Block (BPB)), кол-во копий FAT, кол-во головок и т.д.

2. Таблица расположения файлов – FAT (File Allocation Table): своеобразная "амбарная книга", с помощью которой выделяются элементарные участки диска под запись информации. Минимальный элемент, с которым оперирует ОС (минимальный объем пространства, выделяемый под запись информации файлам) – кластер (обычно один или несколько секторов диска). FAT представляет собой таблицу, с ячейками, имеющими размерность 16 (32) бит и содержащими информацию о соответствующем кластере (его занятости). В каждой ячейке этой таблицы кодируется номер следующего кластера, выделенного под файл, признак последней части файла ("EOF" – End Of File) или признак свободного кластера. При 16-разрядной FAT максимально достигаемый размер диска – 2048 Мб. Вследствие важности информации, хранимой в FAT, на диске располагаются две копии FAT.

3. Корневая директория – RD (Root Directory) – состоит из записей, содержащих информацию о каталогах и файлах, номере кластера, начиная с которого на диске записан файл, а также – о метке (названии) диска.

4. Область данных – DA (Data Area) – часть диска, в которой размещается полезная информация (файлы).

Структура дисковой памяти при разбивке физического диска на несколько логических представлена на рис.15.

Область MBR (Master BR) занимает первый сектор и содержит программу IPL1, которая при выполнении сканирует таблицу разделов диска (Partition Table (PT)), содержащую информацию о каждом из разделов (номера секторов, головок и цилиндров, используемых для раздела). В каждом разделе также имеется байт с признаком загрузки. Активный раздел, с которого выполняется загрузка, в этом байте содержит определенный код, информирующий IPL1 о необходимости загрузки ОС именно с этого раздела. Расширенный раздел (диск D:) содержит вторичную главную загрузочную запись (Secondary MBR), с собственной таблицей разделов (Logical Drive Table (LDT)), которая эмулирует (создает видимость) логический диск для ОС, как некий отдельный физический. SMBR не содержит IPL1.

С
труктура каталогов

Файлы являются совокупностью двоичной информации, структурированной определенным образом. Файловая система ПК имеет иерархическую структуру. Директории (каталоги) представляют собой папки, в которых могут содержаться и другие папки и файлы.

Имена и расширения файлов

Любой файл обладает идентификатором уникальности, имеющим следующую структуру: "ИмяФайла.Расширение". Расширение указывает на принадлежность файла к определенному типу. В операционной системе "DOS" имеются ограничения: ИмяФайла может содержать не более 8 символов, расширение – не более трех.