12

Запоминающие устройства персонального компьютера.

Память в персональном компьютере делится на внутреннюю, расположенную на системной плате и внешнюю.
Внутренняя память в свою очередь можно разделить на КЭШ - память и основную память.

Регистровая КЭШ - память - высокоскоростная память, являющаяся буфером между оперативной памятью и микропроцессором, позволяющая увеличивать скорость выполнения операций. Создавать ее целесообразно в персональном компьютере с тактовой частотой задающего генератора 40 МГц и более. Регистры КЭШ - памяти недоступны для пользователя, отсюда и название КЭШ (Cache), в переводе с английского означает "тайник".

По принципу записи результатов различают два типа КЭШ -памяти:

КЭШ - память "с обратной записью" - результаты операций прежде, чем записать их в ОП, фиксируются в КЭШ -памяти, а затем контроллер КЭШ - памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в ОП;
КЭШ - память "со сквозной записью" - результаты операций одновременно, параллельно записываются и в КЭШ - память, и в ОП.

Микропроцессоры начиная от МП 80486 имеют свою в с т р о е н н у ю КЭШ - память (или КЭШ - память 1-го уровня), чем, в частности, и обуславливается их высокая производительность. Микропроцессоры Pentium и Pentium Pro имеют КЭШ - память отдельно для данных и отдельно для команд, причем если у Pentium емкость этой памяти небольшая - по 8 Кбайт, то у Pentium Pro она достигает 256 - 512 Кбайт.

Следует иметь в виду, что для всех МП может использоваться д о п о л н и т е л ь н а я КЭШ - память (КЭШ -память 2-го уровня), размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких мегабайтов.

ОСНОВНАЯ ПАМЯТЬ.

Физическая структура

Основная память содержит оперативное (RAM - Random Access Memory - память с произвольным доступом) и постоянное (ROM - Read-Only Memory) запоминающие устройства.

Оперативное запоминающее устройство предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе на текущем этапе функционирования ПК.

ОЗУ - энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется.

Конструктивно элементы оперативной памяти выполняются в виде отдельных микросхем типа DIP (Dual In-line Package - двухрядное расположение выводов) или в виде модулей памяти типа SIP (Single In-line Package - однорядное расположение выводов), или, что чаще, SIMM (Single In-line Memory Module - модуль памяти с одноразрядным расположением выводов). Модули SIMM имеют емкостью 256 Кбайт, 1, 4, 8, 16, или 32 Мбайта, с контролем и без контроля четности хранимых битов; могут иметь 30- ("короткие") и 72- ("длинные") контактные разъемы, соответствующие разъемам на материнской плате компьютера. На материнскую плату можно установить несколько (четыре и более) модулей SIMM.

Постоянное запоминающее устройство также строится на основе установленных на материнской плате модулей (кассет) и используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ операционной системы, программ тестирования устройств компьютера и некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS - Base Input-Output System) и др. Из ПЗУ можно только считывать информацию, запись информации в ПЗУ выполняется вне ЭВМ в лабораторных условиях. Модули и кассеты ПЗУ имеют емкость, как правило, не превышающую нескольких сот килобайт. ПЗУ - энергонезависимое запоминающее устройство.

Структурно основная память состоит из миллионов отдельных ячеек памяти емкостью 1 байт каждая. Общая емкость основной памяти современных ПК обычно лежит в пределах от 1 до 32 Мбайт. Емкость ОЗУ на один-два порядка превышает емкость ПЗУ: ПЗУ занимает 128 (реже 256) Кбайт, остальной объем - это ОЗУ.

Логическая структура основной памяти

Каждая ячейка памяти имеет свой уникальный (отличный от всех других) адрес. Основная память имеет для ОЗУ и ПЗУ единое адресное пространство.
Адресное пространство определяет максимально возможное количество непосредственно адресуемых ячеек основной памяти.
Адресное пространство зависит от разрядности адресных шин, т.е. адресное пространство равно 2n , где n - разрядность адреса.
Для ПК характерно стандартное распределение непосредственно адресуемой памяти между ОЗУ, ПЗУ и функционально ориентированной информацией. (рис. 1)
Основная память в соответствии с методами доступа и адресации делится на отдельные, иногда частично или полностью перекрывающие друг друга области, имеющие общепринятые названия. В частности, укрупнено логическая структура основной памяти ПК общей емкостью, например, 16 Мбайт представлена на рисунке 1.

Стандартная память 640 Кбайт		Верхняя память 384 Кбайт
64 Кбайта Область служебных программ и данных ОС	576 Кбайт Область программ и данных пользователя	256 Кбайт Область видеопамяти дисплея и служебных программ	128 Кбайт Область программ начальной загрузки ОС и др.
ОЗУ			ПЗУ

Рис. 1. Распределение 1-Мбайтной области ОП

Непосредственно адресуемая память		Расширенная память
Стандартная (обычная) память (СМА)	Верхняя память (блоки UMA)	Высокая память (HMA)
640 Кбайт	384 Кбайта	64 Кбайта

Рис. 2. Логическая структура основной памяти

Прежде всего основная память компьютера делится на две логические области: непосредственно адресуемая память, занимающую первые 1024 Кбайта ячеек с адресами от 0 до 1024 Кбайт - 1, и расширенную память, доступ к ячейкам которой возможен при использовании специальных программ-драйверов.
Драйвер - специальная программа, управляющая работой памяти или внешним устройством ЭВМ и организующая обмен информацией между МП, ОП и внешними устройствами ЭВМ.
Стандартной памятью (CMA - Conventional Memory Area) называется непосредственно адресуемая память в диапазоне от 0 до 640 Кбайт.
Непосредственно адресуемая память в диапазоне адресов от 640 до 1024 Кбайт называется верхней памятью (UMA - Upper Memory Area). Верхняя память зарезервирована для памяти дисплея (видеопамяти) и постоянного запоминающего устройства. Однако обычно в ней остаются свободные участки - "окна", которые могут быть использованы при помощи диспетчера памяти в качестве оперативной памяти общего назначения.
Расширенная память - это память с адресами 1024 Кбайта и выше.
Непосредственный доступ к этой памяти возможен только в защищенном режиме работы микропроцессора.

В реальном режиме имеются два способа доступа к этой памяти, но только при использовании драйверов:
== по спецификации XMS (эту память называют тогда XMA - eXtended Memory Area);
== EMS (память называют EM - Expanded Memory).

Доступ к расширенной памяти согласно спецификации XMS (eXtended Memory Specification) организуется при использовании драйверов XMM (eXtended Memory Manager). Часто эту память называют дополнительной, учитывая, что в первых моделях персональных компьютеров эта память размещалась на отдельных дополнительных платах, хотя термин Extended почти идентичен термину Expanded и более точно переводится как расширенный, увеличенный.
Спецификация EMS (Expanded Memory Specification) является более ранней. Согласно этой спецификации доступ реализуется путем отображения по мере необходимости отдельных полей Expanded Memory в определенную область верхней памяти. При этом хранится не обрабатываемая информация, а лишь адреса, обеспечивающие доступ к этой информации. Память, организуемая по спецификации EMS, носит название отображаемой, поэтому и сочетание слов Expanded Memory (ЕМ) часто переводят как отображаемая память. Для организации отображаемой памяти необходимо воспользоваться драйвером EMM386.EXE (Expanded Memory Manager) или пакетом управления памятью QEMM.

Расширенная память может быть использована главным образом для хранения данных и некоторых программ ОС. Часто расширенную память используют для организации виртуальных (электронных) дисков.

Исключение составляет небольшая 64-Кбайтная область памяти с адресами от 1024 до 1088 Кбайт (так называемая высокая память, иногда ее называют старшая: HMA - High Memory Area), которая может адресоваться и непосредственно при использовании драйвера HIMEM.SYS (High Memory Manager) в соответствии со спецификацией XMS.HMA обычно используется для хранения программ и данных операционной системы.

ВНЕШНЯЯ ПАМЯТЬ

Устройства внешней памяти или, иначе, в н е ш н и е з а п о - м и н а ю щ и е у с т р о й с т в а 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.
Носитель - материальный объект, способный хранить информацию.
Один из возможных вариантов классификации ВЗУ приведен на рис. 3.
В зависимости от типа носителя все ВЗУ можно подразделить на накопители на магнитной ленте и дисковые накопители.
Накопители на магнитной ленте, в свою очередь, бывают двух видов: накопители на бобинной магнитной ленте (НБМЛ) и накопители на кассетной магнитной ленте (НКМЛ - стримеры). В ПК используются только стримеры.

Внешние запоминающие устройства

• Ленточные

  • Бобинные

  • Кассетные

• Дисковые

  • Магнитные

    • Сменные носители

    • Несменные носители

  • Оптические

  • Смешанные

Рис. 3. Классификация ВЗУ

Периферийные устройства ЭВМ

Периферийные устройства предназначены для ввода, вывода и хранения данных, обрабатываемых ПЭВМ. Они обеспечивают согласование (преобразование) сигналов внешних объектов и сигналов используемых ПЭВМ. Все периферийные устройства ПЭВМ подразделяются на три группы:

1) устройства связи ПЭВМ с человеком пользователем;
2) устройства связи с объектом контроля и управления;
3) устройства для длительного хранения информации большой ёмкости.

Особенности подключения периферийных устройств к ПЭВМ

Подключение различных по функциональному назначению периферийных устройств к центральному процессору осуществляется через специальные функциональные модули. Эти модули выполняют обычно согласование интерфейсов периферийного устройства и системной шины ПЭВМ, буферизацию информации, а также некоторые локальные функции, освобождая от них центральный процессор.
Эти модули условно можно разделить на две группы. Модули первой группы управляют работой системных периферийных устройств и их называют контроллерами. Модули второй группы приспосабливают дополнительные периферийные устройства для работы с ПЭВМ и их называют адаптерами.

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ)

Принципиально ВЗУ отличается от ОЗУ способом доступа к данным при записи или считывании. Данные, хранящиеся в ВЗУ, непосредственно центральными процессорами не обрабатываются и недоступны для прямой адресации командами программы. Доступ к ВЗУ осуществляется командами ввода/вывода, т.е. в ходе вычислительного процесса ВЗУ производит двухсторонний обмен данными с ОЗУ.
Основу любого ВЗУ составляет накопитель информации, на который производится запись, считывание, хранение и удаление данных. Для управления выше названными операциями необходимо иметь контроллер, который, как правило, располагается в системном блоке.

В настоящее время наибольшее распространение нашел принцип магнитной записи информации на движущийся носитель. Физической основой магнитной записи является свойство ферромагнитных материалов сохранять состояние остаточной намагниченности после воздействия внешнего магнитного поля. Регистрация информации на магнитном носителе сводится к намагничиванию небольших по площади участков магнитного слоя носителя с помощью миниатюрных магнитных головок. Магнитные головки (миниатюрные электромагниты) располагаются у поверхности движущегося носителя с небольшим зазором при бесконтактной записи. Информация записывается на носитель вдоль дорожки, проходящей под головкой, путем подачи на головку тока записи. Считывание информации производится при прохождении под головкой дорожки магнитного носителя с записанными данными.

За рубежом выпускаются накопители на оптических (НОД) и магнитооптических дисках. Запись информации на оптические диски может производиться различными способами. Например, при местном нагреве микроучастков поверхности специального носителя серией лазерных импульсов образуется микро углубления или микро пузырьки. Для считывания используется оптическая головка и луч лазера малой мощности, отраженный от поверхности и преобразованный затем фотодиодом в электрический сигнал.

Накопитель на ГМД

Устройство НГМД включает гибкий магнитный диск, пять основных систем (приводной механизм, механизм позиционирования, механизм центрирования и крепления, систему управления и контроля, систему записи и считывания) и три специальных датчика.
Существуют различные виды НГМД. Наиболее широко распространены устройства с диаметром носителя 203мм (8") 133мм (5,25") и 89мм (3,5"). В профессиональных ПЭВМ наиболее часто используют НГМД с диаметром диска 133 и 89мм. Применяются НГМД с односторонней и двусторонней записью. ГДМ представляют собой гибкую пластиковую (обычно лавсановую) пластину, на поверхность которой нанесен ферромагнитный материал. Для защиты от механических повреждений и пыли гибкий диск диаметром 89мм помещается в пластиковую кассету, а диаметром 133мм - в картонную или из жесткого синтетического материала. Центральным отверстием дискета одевается на усеченный конусообразный вал шпиндель (ступицу), который вращается с постоянной скоростью. В кассете имеется окно овальной формы - отверстие головки вытянутое в радиальном направлении. Через это отверстие магнитная головка прижимается к диску, производя в необходимых местах его поверхности запись - считывание данных контактным способом. Магнитная головка перемещаясь в прорези кассеты позволяет записывать электромагнитным способом данные в виде последовательности бит на концентрические окружности - дорожки. Два небольших выреза на кромке кассеты расположенные симметрично относительно окна головки обеспечивают ее позиционирование и фиксацию в НГМД. Справа от них на кассете имеется прямоугольный вырез, заклеенный специальной светонепроницаемое полоской, который запрещает запись и непреднамеренное стирание. В НГМД имеется специальный датчик обнаруживающий наличие данного выреза.