Устройства хранения данных. Устройства обмена данными. Иерархия памяти. Обзор современного состояния. Логическая память. Дефрагментация

Все контроллеры устройств взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных (системную шину).

Системная шина выполняется в виде печатного мостика на материнской плате и обеспечивает три направ­ления передачи информации:

· между микропроцессором и основной памятью;

· между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств;

· между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств.

Связь между устройствами ПК осуществляется с помощью сопряжений, которые в вычислительной технике называются интерфейсами.

В персональном компьютере, как правило, используется структура с одним общим интерфейсом, называемым также системной шиной. При такой структуре все устройства компьютера обмениваются информацией и управляющими сигналами через системную шину. Физически она представляет собой систему функционально объединенных проводов, по которым передаются три потока данных: непосредственно информация, управляющие сигналы и адреса (рис. 5).

Несомненными достоинствами ПК с шинной структурой являются ее простота, а, следовательно, и невысокая стоимость; гибкость, так как унификация связи между устройствами позволяет достаточно легко включать в состав ПК новые модули, т.е. менять конфигурацию компьютера.

К недостаткам следует отнести снижение производительности системы из-за задержек, связанных со временем ожидания устройствами возможности занять шину, пока осуществляется передача информации между устройствами с более высоким приоритетом. Для преодоления этого недостатка в персональных суперкомпьютерах используется архитектура с несколькими шинами.

Максимальное количество одновременно передаваемой информации называется разрядностью шины. Чем больше разрядность шины, тем больше информации она может передать в единицу времени.

При работе с оперативной памятью шина проводит поиск нужного участка памяти и обменивается информацией с найденным участком. Эти задачи выполняют две части системной шины: адресная шина и шина данных.

Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, т.е. количество ячеек памяти. У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная.

Рис.5. Шинная структура ПК. [tanjan.ucoz.ru на 12.03.10]

(ЦП - центральный процессор, ОП – оперативная память, ПП – постоянная память, К – контроллер, ПУ – периферийное устройство).

Шина данных предназначена для передачи команд и данных, которые могут передаваться в любом направлении. В современных компьютерах разрядность шины данных составляет 64 бита.

Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. В большинстве современных процессоров шина управления 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Шина работает циклами. Количество циклов срабатывания шины в единицу времени называется частотой шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины. Корпорация Intel официально представила новые серверные процессоры Itanium серии 9100 (кодовое название Montvale). Процессор Itanium 9110N имеет тактовую частоту 1,6 ГГц, частота системной шины - 533 МГц.

Для подключения к системной шине различных внешних устройств существуют устройства – порты. Порты ввода-вывода всех устройств через соответствующие разъемы (слоты) подключаются к шине либо непосредственно, либо через специальные контроллеры (адаптеры).

Различают несколько типов портов: внутренний (таймерный), клавиатурный, коммуникационный, игровой (джойстик).

Коммуникационные порты обеспечивают подключение таких внешних устройств, как мышь, принтер, сканер, внешний модем и др. Эти порты подразделяются на последовательные (COM1, COM2, СОМ3, СОМ4) и параллельные (LPT1, LPT2, LPT3). Последовательные порты обеспечивают двусторонний побайтовый обмен последовательными кодами, они обычно используются для подключения мыши и модема.

Параллельные порты могут реализовать либо однонаправленную побайтовую передачу параллельных кодов, либо двунаправленную. Параллельный порт имеет более высокую скорость передачи информации, чем последовательные порты, и используется для подключения принтера.

Широкое распространение получил порт USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина). Он обеспечивает высокоскоростное подключение к компьютеру сразу нескольких периферийных устройств (сканера, цифровых камер и т.п.).

Также высокоскоростное подключение до 7 устройств (винчестеров, сканеров, СD-ROM и DVD-ROM дисководов и др.) к компьютеру реализует интерфейс малых вычислительных систем (Small Computer System Interface). SCSI-адаптеры размещаются в слотах расширения системной платы.

Основными функциональными характеристиками персональ­ного компьютера являются:

1) производительность, тактовая частота, быстродействие;

Производительность современных ЭВМ измеряют обычно в миллионах операций в секунду.

2) разрядность микропроцессораикодовыхшин интерфейса;

3) типы системного и локальных интерфейсов;

Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют под­ключать разное количество внешних устройств и различные их виды.

4) емкость оперативной памяти;

Емкость оперативной памяти измеряется обычно в Мбайтах.

5) емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера);

Емкость винчестера измеряется обычно в Гбайтах.

6) тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках;

Сейчас уже практически не применяются накопители на гибких магнитных дис­ках, использующие дискеты диаметром 3,5 дюйма, имеющие стан­дартную емкость 1,44 Мб.

7) наличие, виды и емкостькэш-памяти;

Наличие кэш-памяти емкостью увеличивает производитель­ность персонального компьютера.

8) тип видеомонитора и видеоадаптера;

9) наличие и тип принтера;

10)наличие и тип накопителя на компакт дисках CD-ROM;

11) наличие и типмодема;

12) наличие и видымультимедийных аудиоивидеосредств;

13) имеющееся программное обеспечение и видоперационной системы;

14) аппаратная и программная совместимость с другими ти­пами ЭВМ;

15) возможность работы ввычислительной сети;

16) возможность работы вмногозадачном режиме;

17) надежность;

18) стоимость, габариты и вес.

Персональные компьютеры имеют четыре иерархических уров­ня памяти:

· микропроцессорная память,

· основная память,

· регистровая кэш-память,

· внешняя память.

Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с другими устройствами компьютера и реализует следующие фун­кции: прием информации от других устройств, запоминание информации, выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Основная память содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, ROM) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ, RAM- Random Access Memory).

В ПЗУ находятся:

· программа управления работой процессора,

· программа запуска и останова компьютера,

· программы тестирования устройств,

· программы управления дисплеем,

· клавиатурой, принтером,

· внешней памятью,

· информация о том, где на диске находится операционная система.

Данные в ПЗУ заносятся при изготов­лении, она является энергонезависимойпамятью, при отключении питания информация в нем сохраняется. ОЗУ является энергозависимой памятью, при выключении питания информация в нем стирается.

Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячей­ке памяти отдельно (прямой адресный доступ к памяти). Все ячейки памяти объединены в группы по 8 бит (1 байт), каждая такая группа имеет адрес, по которому к ней можно обратиться.

Важной характери­стикой компьютера, которая влияет на скорость работы и работоспособ­ность программ, является объем памяти. В современных компьютерах объем оперативной памяти обыч­но составляет 2000 Мбайт.

Кроме ПЗУ и ОЗУ на системной плате имеется и энергоне­зависимая полу­постоянная CMOS-память(изготовленная по технологии CMOS – Comple Mentary Metal – oxide semiconductor), постоянно питающаяся от своего акку­мулятора. Для изменения параметров конфигурации компьютера в BIOS содержится программа настройки конфигу­рации компьютера - SETUP.

Для ускорения доступа к оперативной памяти используется специальная сверхбыстродействующая кэш-память(cache – запас),которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью. Это сверхбыстрая оперативная память, предназначенная для временного хранения текущих данных и помещенная между оперативной памятью и процессором. У современных микропроцессоров может быть кэш-память первого уровня, которая обычно встроена в тот же кристалл и работает на одинаковой с микропроцессором частоте. Для некоторых микропроцессоров предусмотрена еще кэш-память второго и третьего уровня (от 8Мб до 24Мб).

Существуют два способа организации такой памяти: общая, когда команды и данные хранятся вместе, и разделенная, когда они хранятся в разных местах. Наличие разделенной кэш-памяти увеличивает производительность микропроцессора, сокращая среднее время доступа к используемым командам и данным. Регистры кэш-памяти недоступны для пользователя. В кэш-памяти хранятся данные, которые микропроцессор получил, и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Быстрый доступ к этим данным позволяет сократить время вы­полнения очередных команд программы.

Микропроцессоры, начиная от МП 80486, имеют свою встро­енную кэш-память. Микропроцессоры Pentium и Pentium Pro имеют кэш-память отдельно для данных и отдельно для ко­манд. Для всех микропроцессоров может использоваться допол­нительная кэш-память, размещаемая на материнской плате вне микропроцессора, емкость которой может достигать нескольких Мбайт.

Внешняя памятьотносится к внешним устройствам компью­тера и используется для долговременного хранения любой инфор­мации, которая может потребоваться для решения задач. В час­тности, во внешней памяти хранится все программное обеспече­ние компьютера.

Устройства внешней памяти (внешние запоминающие уст­ройства) весьма разнообразны. Их классифицируют:

· по виду носителя,

· по типу конструкции,

· по принципу записи и счи­тывания информации,

· по методу доступа и т. д.

Наиболее распространенными внешними запоминающими устройствами являются:

· накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД),

· накопители на гибких магнитных дисках (НГМД),

· накопители на оптических дисках (CD-ROM).

Реже в качестве устройств внешней памяти персонального компьютера используются запоминающие устройства на кассет­ной магнитной ленте - стримеры.

Назначение накопителей - хранение больших объемов информации, запись и выда­ча хранимой информации по запросу в оперативное запоминаю­щее устройство. НЖМД и НГМД различаются лишь конструктивно, объема­ми хранимой информации и временем поиска, записи и считыва­ния информации и относятся к машинным носителям информации с пря­мым доступом.

Из оперативной памяти в НЖМД и обратно информация передается байтами, а записывается на диск и считывается с него побитно. Перед тем, как передать данные в оперативную память, их нужно перекодировать, а т.к. на эту операцию требуется дополнительное время, в ходе обработки данных быстро вращающийся диск успевает повернуться на некоторый угол и данные размещаются на диске блоками. НЖМД относят к блочным устройствам: нельзя прочитать (или записать) байт или несколько байтов, а только блок данных, из которого впоследствии будут извлекаться нужные биты, используемые в вычислениях. При вращении магнитная головка, зафиксированная в определенном положении некоторое время, образует окружность – дорожку(track), блоки данных на таких окружностях – секторами (sectors). Все сектора пронумерованы, в межсекторных промежутках размещается служебная информация, с помощью которой можно находить искомый сектор. Группы дорожек (треков) одного радиуса, расположенные на поверхностях магнитных дисков, образуют цилиндры (cylinders). Современные диски имеют по нескольку десятков тысяч цилиндров. Выбор конкретной дорожки в цилиндре осуществляется указанием порядкового номера головки (head) чтения/записи данных, которая образует эту дорожку. Итак, адрес конкретного блока данных указывается с помощью координат C-H-S – номеров цилиндра, головки и сектора.

Накопители на жестких магнитных дисках получили название «винчестер». Этот термин возник из жаргонного названия первой модели жесткого диска, имевшего 30 дорожек по 30 секторов каж­дая, что случайно совпало с калибром охотничьего ружья «вин­честер». Емкость накопителя на жестком магнитном диске измеря­ется в Мбайтах и Гбайтах.

Благодаря малень­ким размерам, большой емкости и надежности, широкое распространение получили накопители на оптических дисках (CD-ROM). Оптические диски делятся на:

· лазерно-оптические неперезаписываемые и перезаписываемые диски

· перезаписываемые магнитооптические диски.

Кроме основной своей характеристики - информационной емкости, дисковые накопители характеризуются и двумя времен­ными показателями: временем доступа и скоростью считывания подряд расположенных байтов.

Ученые из Центра прикладной наноионики (CANi) при Университете штата Аризона (США) сообщили о создании нового типа памяти, позволяющей выпускать крошечные накопители емкостью до 1 Тб. Кроме столь впечатляющей емкости при малых размерах, чипы памяти на базе новой технологии смогут похвастаться низким энергопотреблением, превзойдя по этому показателю даже распространенную флэш-память.
В современных ПК реализована виртуальная память, которая предоставляет пользователю возможность работы с расширенным пространством оперативной памяти. Виртуальная память представляет собой совокупность оперативной памяти и внешних запоминающих устройств, а также комплекса программно-аппаратных средств, обеспечивающих динамическую переадресацию данных, в результате чего пользователь не должен заботиться о том, где располагаются необходимые ему данные (в ОЗУ или ВЗУ), а функции по требуемому перемещению данных берет на себя вычислительная система.
Конструктивно элементы памяти выполнены в виде модулей, так что при желании можно сравнительно просто заменить их или установить дополнительные и тем самым изменить объем общей оперативной памяти компьютера. В настоящее время отдельные микросхемы памяти не устанавливаются на материнскую плату. Они объединяются в специальных печатных платах, образуя вместе с некоторыми дополнительными элементами модули памяти (SIMM- и DIMM-модули).