Адресное пространство (адресация памяти)

Объем физически адресуемой МП оперативной памяти называется его адресным пространством. Он определяется разрядностью внешней шины адреса. Поэтому разрядность процессора часто уточняют записывая, например, 32/32, это значит МП имеет 32-х разрядную шину данных и 32-х разрядную шину адреса, т.е. одновременно обрабатывается 32 бита информации, а объем адресного пространства МП составляет 4Гбайта.

Структура ПК:

• микропроцессор (центральный блок, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией);
• генератор тактовых импульсов (генерирует последовательность электрических импульсов, частота которых определяет тактовую частоту машины);
• системная шина (основная интерфейсная система ПК, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой, в техническом плане шина состоит из пучка проводов, по которым передаются сигналы. Стык шины с устройством называется портом, которому для определенности присваивается номер, называемый адресом);
• основная память (предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины);
• внешняя память (используется для долговременного хранения информации, в ней хранится все программное обеспечение компьютера);
• источник питания (блок, содержаний системы автономного и сетевого энергопитания);
• таймер (внутримашинные электронные часы, подключаются к автономному источнику питания, работают при отключении от сети);
• внешние устройства.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств – аппаратных интерфейсов.

Стандарты на аппаратные интерфейсы называются протоколами.

Протокол – это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для успешного согласования их работы с другими устройствами.

Состав микропроцессора:

• устройство управления (формирует и подает определенные сигналы управления, формирует адреса ячеек памяти и передает эти адреса в соответствующие блоки, последовательность импульсов получает от генератора тактовых импульсов);
• арифметико-логическое устройство (выполняет арифметические и логические операции над числовой и символьной информацией);
• микропроцессорная память (служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия машины; регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины);
• интерфейсная система микропроцессора (реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК, включает внутренний интерфейс, буферные запоминающие регистры, схемы управления портами ввода-вывода (позволяют подключить другое устройство ПК) и системной шиной.

Частота генератора тактовых импульсов – одна из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, т.к. каждая операция выполняется за определенное количество тактов.

Такт работы машины – промежуток времени между соседними импульсами.

Внутримашинный системный интерфейс (система связи и сопряжения узлов и блоков ЭВМ между собой) – совокупность электрических линий связи (проводов), схем сопряжения с компонентами компьютера, протоколов (алгоритмов) передачи и преобразования сигналов.

Варианты организации внутримашинного интерфейса:

• многосвязный интерфейс (каждый блок ПК связан с прочими блоками своими локальными проводами, применяется в простейших бытовых ПК);
• односвязный интерфейс (все блоки ПК связаны друг с другом через общую или системную шину).

В качестве системного интерфейса используется системная шина.

В качестве системной шины могут использоваться:

• шины расширений (шины общего назначения, позволяющие подключать большое число различных устройств);
• локальные шины (специализируются на обслуживании небольшого количества устройств определенного класса).

Системная шина включает:

• кодовую шину данных (содержит провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода, по ней происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно);
• кодовую шину адреса (включает провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства);
• кодовую шину инструкций (содержит провода и схемы сопряжения для передачи инструкций во все блоки машины);
• шину питания (имеет провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК к системе энергопитания).

Системная шина обеспечивает передачу информации:

Порты ввода-вывода всех блоков машины подключаются через соответствующие унифицированные разъемы непосредственно или через контроллеры (адаптеры).

Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с помощью ASCII-кодов.

Шины расширений:

• шина РС/ХТ bus – 8-разрядная шина данных и 20-разрядная шина адреса, тактовая частота 4,77 МГц, имеет 4 линии для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память;
• шина РС/АТ bus – 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, тактовая частота до 8 МГц, может использоваться и МП с тактовой частотой до 16 МГц, имеет 7 линий для аппаратных прерываний и 4 канала для прямого доступа в память;
• шина ISA (Industry Standard Architecture) – 16-разрядная шина данных и 24-разрядная шина адреса, тактовая частота 8 МГц, может использоваться и МП с тактовой частотой до 50 МГц, имеет до 15 линий для аппаратных прерываний и до 11 каналов для прямого доступа в память, адресное пространство увеличено до 16 Мбайт, пропускная способность теоретически 16 Мбайт/с, практически – 4-5 Мбайт/с;
• шина ЕISA (Extended ISA) – 32-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота 8-33 МГц, адресное пространство 4 Гбайта, пропускная способность до 33 Мбайта/с, улучшена система прерываний и обеспечено автоматическое конфигурирование системы и управление каналами для прямого доступа в память, увеличено число разъемов расширений (может подключаться теоретически до 15 устройств, практически – до 10), совместима с шиной ISA, применяется в скоростных ПК, сетевых серверах и рабочих станциях;
• шина МSA – 32-разрядная шина данных и 32,64-разрядная шина адреса, тактовая частота 10-20 МГц, пропускная способность до 76 Мбайт/с, может подключаться до 15 устройств, близка к шине ЕISA, но не совместима ни с ISA, ни с ЕISA, применяется не очень широко.

Локальные шины:

• шина VLB (VESA Local Bus) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота до 33 МГц, пропускная способность теоретически 132 Мбайт/с, практически – 80 Мбайт/с, малое количество подключаемых устройств – 4, могут быть конфликты между подключаемыми устройствами, жестко зависима от тактовой частоты МП;
• шина PCI (Peripheral Component Interconnect) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота до 33 МГц, пропускная способность теоретически 132,264 Мбайт/с, практически – 50,100 Мбайт/с, количество подключаемых устройств – 10, может выполнять многие функции шины расширения, в настоящее время используется как шина для подключения внешних устройств;
• шина FSB (Front Side Bus) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота до 133 МГц, пропускная способность до 800 Мбайт/с, используется для связи процессора и памяти, частота этой шины является одним из потребительских параметров;
• шина AGP (Advanced Graphic Port) – 32,64-разрядная шина данных и 32-разрядная шина адреса, тактовая частота 33 или 66 МГц, пропускная способность до 1066 Мбайт/с, используется для связи с видеоадаптером;
• шина USB (Universal Serial Bus) – пропускная способность до 1,5 Мбит/с, позволяет подключать до 256 устройств, имеющих последовательный интерфейс, практически исключает конфликты между различным оборудованием, позволяет подключать и отключать устройства в «горячем режиме» и позволяет объединять несколько компьютеров и простейшую локальную сеть без применения специального оборудования и программного обеспечения.

Использование в ПК шин VLB и PCI возможно при наличии соответствующей материнской платы.

Выпускаются материнские платы с мультишинной структурой VIP (по начальным буквам VLB, ISA, PCI).

Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные.

С точки зрения физического принципа действия различают:

• динамическую память (DRAM) – ячейки можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках. Микросхемы используются в качестве основной ОП компьютера. Это наиболее распространенный и экономически доступный вид памяти. Недостаток – постоянно требуется регенерация (подзарядка) ячеек оперативной памяти, что вызывает непроизводительный расход вычислительной системы.
• статистическую память (SRAM) – ячейки можно представить в виде микроэлементов (триггеров), состоящих из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает высокое быстродействие. Микросхемы этой памяти используют в качестве вспомогательной памяти (кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы компьютера.

Основная память содержит:

• постоянное запоминающее устройство (ПЗУ служит для хранения неизменяемой программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию);
• оперативное запоминающее устройство (ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации, участвующей в процессе в текущий момент времени, достоинство – быстродействие и возможность обращение к каждой ячейке памяти отдельно, недостаток – энергозависимость).

В момент включения компьютера в его оперативной памяти ничего нет (программ, команд). Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ. Процессор обращается по указанному адресу за своей первой командой и начинает работать по программам.

Этот исходный адрес не может указывать на ОП, поскольку в ней пока ничего нет. Он указывает на ПЗУ. Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию даже при выключенном компьютере.

Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» – их записывают туда на этапе изготовления микросхемы.

Комплект программ в ПЗУ образует базовую систему ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System).

Основное назначение программ этого пакета:

• проверить состав и работоспособность компьютерной системы;
• обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков;
• обеспечить возможность наблюдения на экране диагностических сообщений, сопровождающих запуск компьютера,
• обеспечить при необходимости возможность вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, в частности, накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

Их назначение – хранение больших объемов информации, запись и выдача хранимой информации по запросу в ОЗУ.

Различаются конструктивно, объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

Магнитные диски – машинные носители информации.

Информация на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей – дорожек (треков).

Количество дорожек на МД и их информационная емкость зависят от типа МД, конструкции накопителя на МД, качества магнитных головок и магнитного покрытия.

Каждая дорожка МД разбита на сектора по 128, 256, 512 или 1024 байт.

Обмен данными между НМД и ОП осуществляется последовательно целым числом секторов.

Кластер – минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки.

При записи и чтении информации МД вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к дорожке, выбранной для записи или чтения информации.

Файл – именованная область внешней памяти, выделенная для хранения массива данных.

Файл – последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем.

Имя файла может содержать адресные данные, сведения о типе данных, заключенных в нем. Хранение фалов организуется в иерархической структуре, называемой файловой.

Полное имя файла – собственное имя файла вместе с путем доступа к нему.

<имя носителя\<имя каталога-1\...\< имя каталога-N\<собственное имя файла

Данные на дисках хранятся в файлах. Файлу выделяется поле памяти, кратное некоторому количеству кластеров. Кластеры одного файла могут находиться в любом свободном месте и необязательно являются смежными.

Файлы, находящиеся в разбросанных по диску файлах, называются фрагментированными.

Форматирование дискеты – создание структуры записи информации на ее поверхности: разметка дорожек, секторов, записи маркеров и другой служебной информации.

Монитор – устройство, предназначенное для отображения информации, которую компьютер передает пользователю.

Размер экрана монитора измеряется по диагонали в дюймах.

Условно можно выделить группы:

• мониторы с электронно-лучевой трубкой (изображение формируется лучом электронов, которые «поджигают» точки цветного люминофора, которым изнутри покрыта поверхность экрана. Каждый пиксель изображения состоит из трех цветных точек люминофора: красного, зеленого и синего. Поток электронов, используемый для формирования изображения на экране электронно-лучевого монитора, довольно силен, и не весь гасится люминофором и защитным покрытием экрана. Кроме того, для управления лучам, используются сильные магнитные поля. Все это приводит к тому, что электронно-лучевые мониторы хоть и в небольшой степени, но являются источниками вредных излучений);
• жидкокристаллические мониторы (рабочий слой жидкокристаллических мониторов состоит из множества мелких жидких кристаллов, которые могут менять свой цвет и прозрачность под воздействием подаваемых на них небольших напряжений. Такие мониторы не излучают);
• мультимедийные мониторы (электронные и жидкокристаллические мониторы, которые могут выполнять еще дополнительные функции: воспроизводить и воспринимать звук с помощью встроенных акустических систем и микрофона, и даже воспринимать изображение с помощью встроенной видеокамеры).

Дисплей может работать:

• в текстовом режиме (экран дисплея разбивается на 25 строк по 80 символов в каждой строке. Этот режим служит для вывода заранее заданных символов: больших и малых латинских букв, букв русского алфавита, цифр и других различных символов);
• в графическом режиме (на экран дисплея изображение выводится по точкам, (пикселям). В таком режиме, как правило, создаются рисунки и строятся графики, при выводе в таком режиме текстовой информаций быстродействие будет ниже, т.к. каждый символ необходимо прорисовывать по точкам).

Разрешающая способность – основной параметр, характеризующий качество графического изображения на экране дисплея, определяется количеством точек по вертикали и горизонтали

2. Информационно-логические основы вычислительных машин: Их функциональная и структурная организация

Информационно-логические основы построения вычислительных машин охватывают вопросы, связанные с формами и системами представления информационных данных в компьютерах, а также с логико-математическим синтезом вычислительных схем. Последние вопросы представляют интерес в основном для специалистов технического профиля и выходят за рамки изучаемой дисциплины.

Следует отметить, что чем меньше основание системы счисления, тем больше разрядов требуется для записи того же числа. Наиболее громоздкой получается запись в системе с наименьшим из возможных основанием — двоичной. Однако именно двоичная система используется в компьютерах, т. к. она имеет ряд преимуществ перед другими системами, заключающихся в следующем:

· для ее реализации нужны технические устройства с двумя устойчивыми состояниями (есть ток — нет тока, намагничен — не намагничен и т. п.), а не, например, с десятью, — как в десятичной;

· представление данных посредством только двух состояний более надежно и помехоустойчиво;

· возможно применение аппарата булевой алгебры для выполнения логических преобразований информации.

Но то, что удобно для компьютера, оказывается очень неудобным для человека. Запоминать, да и просто безошибочно записывать числа, вроде 1101011001010110, весьма сложно.

Можно было бы переводить их в десятичную систему и обратно. Однако этот перевод довольно трудоемкий. И вот какой нашли выход. Если взять две системы счисления, такие что основание одной будет степенью основания другой (их иногда называют родственными), перевод будет делаться очень быстро, практически, «в уме». В вычислительной технике для компактного представления двоичных чисел используют восьмеричную и (чаще всего) шестнадцатеричную системы счисления: 8 = 2³; 16 = 2⁴.

Каждому разряду восьмеричной системы счисления соответствуют три разряда двоичной, каждому разряду шестнадцатеричной — четыре двоичной. Поскольку это соответствие — однозначное, то достаточно помнить (или иметь перед собой) следующую таблицу.

Таблица 1.1