Оперативное и постоянное запоминающие устройства

Запоминающие устройства, используемые в ЭВМ, состоят из по­следовательности ячеек. Каждая ячейка содержит значение одного байта и имеет собственный номер (адрес), по которому происходит обращение к ее содержимому. Все данные в ЭВМ хранят хранятся в двоичном виде нулей и единиц.

Запоминающие устройства характеризуются двумя параметрами:

• объем памяти — размер в байтах, доступных для хранения ин­формации;

• время доступа к ячейкам памяти — средний временной интервал, в течение которого находится требуемая ячейка памяти и из нее из­влекаются данные.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ; RAM — RandomAccessMemory) предназначено для оперативной записи, хранения и чтения информации (программ и данных), непосредственно уча­ствующей в информационно-вычислительном процессе, выполняе­мом ЭВМ в текущий период времени. После выключения питания ЭВМ информация в ОЗУ уничтожается, поэтому она не подходит для долговременного хранения информации. Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, выраженный числом. В ЭВМ на базе процессоров IntelPentium используется 32-разрядная адресация. Это означает, что число независимых адресов равно 2³², т.е. возможное адресное про­странство составляет 4,3 Гбайт. Объем ОЗУ превышает 4096 Мбайт (2011 г.), время доступа 0,005 — 0,02 мкс. 1 с = 10⁶мкс.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ; ROM — ReadOnlyMemory) хранит неизменяемую (постоянную) информацию: про­граммы, выполняемые во время загрузки системы, и постоянные параметры ЭВМ. В момент включения ЭВМ в его ОЗУ отсутствуют данные, так как ОЗУ не сохраняет данные после выключения ЭВМ. Но МП необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому МП обращается по специальному стартовому адресу, кото­рый ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес из ПЗУ. Основное назначение программ из ПЗУ состоит в том, чтобы про­верить состав и работоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками. Обычно из­менить информацию ПЗУ нельзя. Объем ПЗУ 128 — 256 Кбайт, время доступа 0,035 — 0,1 мкс. Так как объем ПЗУ небольшой, но время доступа больше, чем у ОЗУ, при запуске все содержимое ПЗУ считы­вается в специально выделенную область ОЗУ.

Кроме ПЗУ существует энергонезависимая память CMOSRAM (ComplementaryMetal-OxideSemiconductorRAM), в которой хранят­ся данные об аппаратной конфигурации ЭВМ: о подключенных к ЭВМ устройствах и их параметры, параметры загрузки, пароль на вход в систему, текущее время и дата. Питание памяти CMOSRAM осуществляется от батарейки. Если заряд батарейки заканчивается, то настройки, хранящиеся в памяти CMOSRAM, сбрасываются, и ЭВМ использует настройки по умолчанию.

ПЗУ и память CMOSRAM составляют базовую систему ввода- вывода (BIOS — BasicInput-OutputSystem).

Внешние запоминающие устройства

Общие сведения

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения и транспортировки информации. ВЗУ взаимодействуют с системной шиной через контроллеры внешних запоминающих устройств (КВЗУ). КВЗУ обеспечивают интерфейс ВЗУ и системной шины в режиме прямого доступа к памяти, т. е. без участия МП.

Интерфейс — это совокупность связей с унифицированными сигналами и аппаратуры, предназначенной для обмена данными между устройствами вычислительной системы.

ВЗУ можно разделить по критерию транспортировки на перенос­ные и стационарные. Переносные ВЗУ состоят из носителя, подклю­чаемого к порту ввода-вывода (обычно USB), (флэш-память) или носителя и привода (накопители на гибких магнитных дисках, при­воды CD и DVD). В стационарных ВЗУ носитель и привод объеди­нены в единое устройство (накопитель на жестких магнитных дисках). Стационарные ВЗУ предназначены для хранения информации внутри ЭВМ.

Перед первым использованием или в случае сбоев ВЗУ необходи­мо отформатировать — записать на носитель служебную информа­цию, необходимую в дальнейшем при операциях чтения-записи с носителя.

Рассмотрим три типа ВЗУ, разделенные по критерию физической основы или технологии производства носителя: 1) магнитные носи­тели; 2) оптические носители; 3) флэш-память.

Магнитные носители

Магнитные носители основаны на свойстве материалов нахо­диться в двух состояниях: «не намагничено» —«намагничено», ко­дирующие 0 и 1. По поверхности носителя перемещается головка, которая может считывать состояние или изменять его. Запись дан­ных на магнитный носитель осуществляется следующим образом.

При изменении силы тока, проходящего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля на по­верхности магнитного носителя, и состояние ячейки меняется с «не намагничено» на «намагничено» или наоборот. Операция счи­тывания происходит в обратном порядке. Намагниченные частички ферромагнитного покрытия являются причиной появления элек­трического тока. Электромагнитные сигналы, которые возникают при этом, усиливаются и анализируются, и делается вывод о значе­нии 0 или 1.

Из-за контакта головки с поверхностью носителя через некоторое время носитель приходит в негодность.

Рассмотрим три типа магнитных носителей.

1. Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД; harddisk — жесткий диск) представляют собой несколько дисков с магнитным покрытием, нанизанные на шпиндель, в герметичном металлическом корпусе. При вращении диска происходит быстрый доступ головки к любой части диска.

В НЖМД может быть до десяти дисков. Их поверхность размеча­ется дорожками (track). Каждая дорожка имеет свой номер. Дорожки с одинаковыми номерами, расположенные одна над другой на разных дисках, образуют цилиндр. Дорожки на диске разбиты на секторы (нумерация начинается с единицы). Сектор занимает 571 байт. Из них 512 байт отведено для записи данных. Оставшиеся 59 байт отведены под заголовок (префикс), определяющий начало и номер сектора, и окончание (суффикс), где записана контрольная сумма, необходимая для проверки целостности хранимых данных. Секторы и дорожки формируются во время форматирования диска. Разметка секторов зависит от типа диска. Жесткие диски устанавливаются в системном блоке и являются основным ВЗУ ЭВМ. Объем жестких дисков пре­вышает 1 Тбайт (2011 г.), а время доступа — 0,005 — 0,03 с.

2. Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД; FDD — FloppyDiskDrive) предназначены для записи информации на пере­носные носители — дискеты. Дискета представляет собой гибкий диск с магнитным покрытием, помещенный в жесткий корпус со шторкой, открываемой для доступа головки к диску, и прорезью для защиты от записи. Как и в случае жесткого диска, поверхность гиб­кого диска разбивается на дорожки, которые, в свою очередь, разби­ваются на секторы. Секторы и дорожки формируются во время фор­матирования дискеты. Дискеты могут быть двух размеров 5,25 дюймов (133 мм; является устаревшим) и 3,5 дюймов (89 мм). Для каждого типа дискеты нужен свой НГМД. Объем дискет — до 1,44 Мбайт, время доступа — 0,065 — 0,1 с. В настоящее время НГМД вытеснены флэш-памятью.

3. Дисковые массивыRAID (RedundantArrayofInexpensiveDisks — массив недорогих дисков с избыточностью) используются для хране­ния данных в суперкомпьютерах (мощных ЭВМ, предназначенных для решения крупных вычислительных задач) и серверах (подклю­ченных к сети ЭВМ, предоставляющих доступ к хранящимся в них данным).

Массивы RAID — это несколько запоминающих устройств на жестких дисках, объединенные в один большой накопитель, обслу­живаемый специальнымRAID-контроллером. Одна и та же инфор­мация хранится на различных жестких дисках и при потере инфор­мации на одном жестком диске восстанавливает ее с другого жестко­го диска. RAID-массивы поддерживают технологию PlugandPlay, т.е. замену одного из дисков без остановки всего массива.

Оптические носители

Оптические носители представляют собой компакт-диски диаме­тром 12 см (4,72 дюйма) или мини-диски диаметром 8 см (3,15 дюйма). Оптические носители состоят из трех слоев:

1) поликарбонатная основа (внешняя сторона диска);

2) активный (регистрирующий) слой пластика с изменяемой фазой состояния;

3) тончайший отражающий слой (внутренняя сторона диска).

В центре компакт-диска находится круглое отверстие, надеваемое на шпиндель привода компакт-дисков.

Запись и считывание информации на компакт-диск осуществля­ется головкой, которая может испускать лазерный луч. Физический контакт между головкой и поверхностью диска отсутствует, что уве­личивает срок службы компакт-диска. Фаза второго пластикового слоя, кристаллическая или аморфная, изменяется в зависимости от скорости остывания после разогрева поверхности лазерным лучом в процессе записи, выполняемой в приводе. При медленном остывании пластик переходит в кристаллическое состояние и информация сти­рается (записывается «О»); при быстром остывании (если разогрета только микроскопическая точка) элемент пластика переходит в аморфное состояние (записывается «1»). Ввиду разницы коэффици­ентов отражения от кристаллических и аморфных микроскопических точек активного слоя при считывании происходит модуляция интен­сивности отраженного луча, воспринимаемого головкой чтения. По­верхность диска разбита на три области. Начальная область (Lead-In) расположена в центре диска и считывается первой. В ней записано содержимое диска, таблица адресов всех записей, метка диска и дру­гая служебная информация.

Средняя область содержит основную информацию и занимает большую часть диска. Конечная область (Lead-Out) содержит метку конца диска.

Информация на компакт-диске кодируется с большой избыточ­ностью корректирующим кодом Рида —Соломона, обеспечивающего

восстановление исходной информации при невозможности ее счи­тывания с диска.

Компакт-диск выдерживает несколько сотен циклов перезаписи. Считывание информации осуществляется при вращении компакт- диска с частотой более 10 ООО об/мин.

В зависимости от возможности чтения/записи все компакт-диски можно разделить на три типа:

1) ROM (ReadOnlyMemory) — только для чтения; запись невоз­можна;

2) R (Recordable) — для однократной записи и многократного чтения; диск может быть однажды записан; записанную информацию изменить нельзя и она доступна только для чтения;

3) RW(Rewritable) — для многократной записи и чтения; инфор­мация на диске может быть многократно перезаписана.

Эти типы дисков отличаются материалом, из которого изготовлен второй пластиковый слой.

Рассмотрим виды компакт-дисков CD (CompactDisc), DVD (DigitalVersatileDisc — цифровой универсальный (многосторонний) диск) и Blu-Ray, имеющие одинаковый размер 4,72 дюйма.

Объем CD равен 650 или 700 Мбайт. Музыкальные диски отно­сятся к CD и предназначены только для чтения с них музыки. Время доступа к CD — 0,05 — 0,3 с.

Формат DVD являются развитием CD, объем составляет 4,7 Гбайт за счет более плотной записи. DVD продолжают совершенствоваться. Существует несколько конкурирующих форматов DVD: DVD-, DVD+ и DVD-RAM.

Формат Blu-Ray является дальнейшим развитием DVD и позво­ляет записывать 25 Гбайт информации на один слой.

Дисковод для оптических носителей состоит из следующих ча­стей:

• электродвигатель, который вращает диск;

• оптическая система, состоящая из лазерного излучателя, опти­ческих линз и датчиков и предназначенная для считывания инфор­мации с поверхности диска;

• микропроцессор, который руководит механикой привода, опти­ческой системой и декодирует прочитанную информацию в двоичный код.

Компакт-диск раскручивается электродвигателем. На поверхность диска с помощью привода оптической системы фокусируется луч из лазерного излучателя.

Луч отражается от поверхности диска и сквозь призму подается наданные считываются со скоростью 1200 Кбайт/с. Максимальнаяско-рость чтения с дисков Blu-Ray работы составляет 12х (54 Мбайт/с).

Оптические носители могут храниться до 100 лет, но они воспри-имчивы к царапинам, колебаниям температуры и механическим повреждениям.

Следует соблюдать следующие правила при работе с оптическими носителями:

• не класть диски отражающим слоем на стол или другие поверхности;

• хранить диски в коробках, а коробки в вертикальном положении;

• для длительного хранения информации выбирать диски однократной записи (-R), а не многократной (-RW);

• подписывать диск только на внешней стороне диска;

• не наклеивать наклейки и не использовать деформированные диски, так как это может привести к разбалансировке диска;

• не подвергать диск воздействию прямых солнечных лучей.

Флэш-память

Флэш-память представляет собой микросхемы памяти, заключенные в пластиковый корпус, и предназначена для долговременного хранения информации с возможностью многократной перезаписи.

Микросхемы флэш-памяти не имеют движущихся частей. При работе указатели в микросхеме перемещаются на начальный адрес блока, и затем байты данных передаются в последовательном порядке. При производстве микросхем флэш-памяти используются логические элементы NAND (И —НЕ). Количество циклов перезаписи флэш-памяти превышает 1 млн. В настоящее время размер флэш- памяти превышает 64 Гбайт (2011 г.),

Видеоподсистема ЭВМ

Видеокарта

Видеоподсистема ЭВМ включает в себя два устройства:

1) монитор (дисплей), отображающий на своем экране текстовую и графическую информацию;

2) видеокарта (ВК, видеоконтроллер, видеоадаптер), обеспечивающая формирование изображения, его хранение, обновление и преобразование в сигнал, отображаемый монитором.

Видеокарта представляет собой плату, устанавливаемую в специ­альный слот на материнской плате или интегрированную в материн­скую плату. Видеокарта содержит следующие элементы:

• графический процессор, обрабатывающий изображение и пре­образующий его в сигнал для монитора;

• видеопамять, хранящую воспроизводимую на экране информа­цию; объем видеопамяти превышает 1 Гбайт (2011 г.);

• цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), преобразующий циф­ровую информацию об изображении в аналоговый сигнал; характери­стиками ЦАП являются частота преобразования и разрядность, определяющая количество цветов, поддерживаемых видеокартой;

• видеоакселераторы; различают два типа видеоакселераторов: для плоской (2D) и трехмерной (3D) графики. Первые эффективны для работы с прикладными программами общего назначения, вторые ориентированы на работу с разными мультимедийными и развлека­тельными программами. Видеоакселераторы позволяют производить математические вычисления для построения трехмерных сцен на двухмерном экране без участия МП.