Дәріс. Ақпараттарды сақтау, жіберу және жеткізу құрылғылары

Ақпаратты сақтау – белгілі бір уақыт мерзімінде ақпаратқа қол жетімді болатынын қамтамасыз ету мақсатымен орындалатын негізгі операция. Ақпаратты сақтау дегеніміз оны сақтау құрылғысына жазу.

Сақтау құрылғысы немесе жад деп деректерді қабылдайтын, қажет кезінде оларды оқуды қамтамасыз ететін құрылғы.

Жадқа қойылатын негізгі талап – жеке сөздерге қол жеткізу уақытының өте аз болуы. Жалпы, ақпаратқа қол жеткізу уақыты оларға қолданылатын операцияларға жұмсалынатын уақыттан аз болуы тиіс; ең болмағанда онымен шамалас болуы керек.

Компьютерлік жүйелерде қолданылатын негізгі сақтау құрылғылары мыналар:

- регистрлік жад;

- кэш-жад;

- негізгі жад;

- сыртқы жад.

Осы аталынған жад түрлерінен басқа да жад түрлері болуы мүмкін; мысалы, видеожад.

Регистрлік жад компьютердің процессорының немесе басқа құрылғыларының құрамында болады; ол есептеулерде немесе енгізу-шығару операцияларында тікелей қолданылатын көлемі үлкен емес ақпаратты сақтау үшін қолданылады.

Кэш-жад ағымдағы ақпарат алмасу операцияларында қолданылатын ақпараттың көшірмесін сақтау үшін қолданылады. Ол көлемі кішігірім, жылдамдықтары әртүрлі құрылғылар арасында орналасады. Көбінесе микропроцессор мен оперативтік жады арасында, жылдам процессор мен баяу оперативтік жад арасына орналастырады. Оны арнайы контроллер басқарады. Контроллер орындалып жатқан программаны талдап, жақын уақытта қажет болады деген деректер мен командалардың көшірмесін өзіне жазып, процессорға беріп отырады. Осылайша ол жылдамдықты көтеруге мүмкіндік береді.

Негізгі жад өңдеуге тікелей қатысты деректерді оперативті түрде сақтауға және алмасуға арналған. Ол интегралдық схема түрінде құрастырылады; ол екі түрге бөлінеді:

- тұрақты сақтау құрылғысы (ПЗУ-постоянное запоминающее устройство);

- оперативті сақтау құрылғысы (ОЗУ-оперативное запоминающее устройство).

Тұрақты сақтау құрылғысында көбінесе компьютерді жұмысқа қосуға арналған командалар, қызметтік программалар және т.б. ақпараттар сақталынады. Ол жадқа ешнәрсені жазуға болмайды, ал ондағы ақпаратты көп рет пайдалануға болады.

Оперативтік сақтау құрылғысы оперативтік жад деп аталынады; ондағы ақпаратқа пайдаланушының қолы жетеді. Оған пайдаланушы ақпаратты жазуына, одан алуына болады.

Сыртқы жад үлкен көлемді ақпаратты ұзақ мерзімде сақтауға арналған. Компьютерлік жүйелерде қолданылатын сыртқы жад құрылғылары мыналар:

- қатты магниттік дискілерде жинақтаушы (НЖМД-накопители на жестких магнитных дисках);

- иілгіш магниттік дискілерде жинақтаушы (НГМД-накопители на гибких магнитных дисках);

- оптикалық дискілерде жинақтаушы;

- магнитоптикалық ақпарат тасымалдаушы;

- таспалық жинақтаушылар (стримерлер).

Егер осы аталынған құрылғылардың жылдамдығын қарастыратын болса: сыртқы жадтағы ақпаратқа қол жеткізу уақыты шамамен 10^-3 секунд немесе миллисекунд болады, ал оперативтік жад үшін бұл көрсеткіш 10^-9 секунд немесе наносекунд болады. Микропроцессор осы аталынған сыртқы құрылғылардан тікелей ақпарат ала алмайды. Олардағы ақпаратты пайдалану үшін сыртқы құрылғыдан оперативтік жадқа (ОЗУ) жазылуы тиіс.

Сақтау құрылғылары олардағы ақпаратқа қол жеткізу тәсілдеріне байланысты екі түрге бөлінеді:

- тікелей адресі бойынша қол жеткізу;

- бір ізді қол жеткізу.

Тікелей қол жеткізу қажетті ақпаратты жадтың элементінен тікелей адресі бойынша алуды жүзеге асырады. Ал бір ізді қол жеткізу ақпаратты жазылу тәртібі бойынша оқуды жүзеге асырады. Олардан бөлек ақпараттың белгілі бір сипаты бойынша қол жеткізу түрі де болады; оны ассоциативті қол жеткізу деп атайды.

Компьютерлік жүйелерде қолданылатын жад түрлері келесі схемада көрсетілген:

1 - сурет. Сақтаушы құрылғылардың түрлері

RAM - Random Access Memory (ОЗУ) – оперативтік жад; деректерді оқуға да, жазуға да болатын жад түрі. Бұл жад түрі ағымдағы есептеулерге қажетті өзгеретін ақпаратты, программалар мен сандарды сақтауға арналаған. Ақпаратты сақтау тәсіліне байланысты статикалық (SRAM – Static RAM) және динамикалық (DRAM – Dynamic RAM) болып екіге бөлінеді. SRAM жағдайында сақтаушы элементтер ретінде триггерлер қолданылады. Триггер өзінің жағдайын ток бар кезде және жаңа деректер жазылғанға дейін сақтайды. DRAM жағдайында деректер конденсаторлардың зарядтары түрінде сақталынады.

Триггер (trigger - ілгешек) дегеніміз екі тұрақты тепе-теңдік жағдайда болатын элетрондық құрылғы; ол жағдайлар сыртқы сигналдарға байланысты 1 бит деректі жазуға және сақтауға арналған. Триггерлер жады бар логикалық құрылғы. Триггерден шығатын сигнал енгізілген сигналдан ғана емес, бұрын болған сигналдарға да байланысты. Триггердің функционалдық схемасын келесі түрде бейнелеуге болады:

ROM (ПЗУ) – Read Only Memory – тұрақты жад; деректерді түрақты сақтауға арналған. Ондағы деректерді көшіруге болмайды. Мұнда өзгертуге болмайтын деректер сақталынады. Мысалы, константалар, подпрограммалар, микропрограммалар және т.б. Мұндағы ақпаратты тек оқуға болады. Бұл жад түрі суретте көрсетілген түрлерге бөлінеді.

ROM-M дайындалған кезінде бір рет қана программаланады және одан кейін өзгертілмейді.

PROM - Progravmable ROM – қайта программаланатын тұрақты жад. Ол алдыңғы ROM-M жадтан айырмашылығы – берілген программа бойынша электрлік әдіспен сақтаушы матрицаны өзгертуге болатындығы. Мұнда жаңа ақпаратты жазудан бұрын ескі ақпаратты өшіруді әртүрлі орындауға болады. Ол үшін EEPROM-ның немесе EPROM-ның затворының астында жиналған зарядты жоятын электрлік сигналдың көмегін пайдаланады.

EEPROM – electrically erasable PROM – электрлік өшіргішті программаланатын тұрақты жад.

EPROM – electrically PROM - ультрафиолеттік өшіргіштік программалатын тұрақты жад.

FLASH – (молния-найзағай) – Электр тогынан айырғанда да ақпаратты сақтай алатын қасиеті бар жадтың микросхемасының ерекше түрі. Ақпарат флэш-жадтқа арнайы электр разрядының көмегімен «тігіледі». Оны өзгерту үшін тек басқа электр разрядын қолдану керек болады. Флэш-жад көп құрылғыларда кеңінен қолданылады.

Соңғы кезде (2001 жылдан бастап) қолданысқа шыққан, ақпаратты алып жүруге арналған құрылғы Flash – жинақтаушы кең тарады. Ол компьютердің USB порты арқылы ақпаратты енгізуге немесе алуға, сақтап қоюға өте ыңғайлы құрылғы. USB - шинаның жаңа түрінің стандарты. Компьютерге көптеген сыртқы құрылғыларды қосуға арналған. Мысалы, принтерді, сканерді, мониторды, клавиатураны, тышқанды және т.б. құрылғыларды.

FIFO – First In First Out - бірінші келіп, бірінші шығу.

LIFO – Last In First Out - соңынан келіп, бірінші шығу.

Жад өте көп жад элементтерінен (ЖЭ) тұрады. Әрбір жад элементі екі тұрақты, екілік сан жүйесінде кодталынатын, жағдайдың бірінде болады. Әрбір жад элементі 0 немесе 1 деген мәнді сақтайды. Мысалы, көлемі 1 Мбайт болатын оперативтік жадта 8 388 698 жад элементі болады.

Жад элементтері сөзді сақтау үшін топқа біріктіріледі. Олар сөз сақталынатын ұяшықтарда сақталынады. Қажетті сөзді табу үшін ұяшықтың адресі пайдаланылады.

Жадтың қасиеттерін сипаттайтын көрсеткіштер:

- ақпарат сиымдылығы;

- қол жеткізу уақыты;

- жазу уақыты;

- жад типі;

- құрылымы; жадтағы ұяшықтар саны және әрбір ұяшықтың разрядтығы;

- бір бит құны (бағасы);

- пайдаланатын электр қуаты;

- ақпарат таңдау әдісі.

Ақпарат сиымдылығы дегеніміз сақталынатын ақпараттың ең үлкен мүмкін болатын көлемі. Жад көлемі битпен, байтпен немесе белгілі бір байт санына тұратын сөздермен өлшенеді.

Қол жеткізу уақыты дегеніміз процессор адрестік шинаға қажетті жад ұяшығының адресін көрсетіп, ондағы деректі оқуға немесе жазуға бұйрық бергеннен бастаи, ол ұяшықпен деректер шинасының байланысы орнағанға дейінгі уақыт мерзімі.

Жазу уақыты – деректер шинасындағы ақпаратты онымен байланысқан жад ұяшығына жазуға жұмсалатын уақыт.

Ақпаратты жіберу және жеткізу адамзат қоғамы мен экономиканың дамуында маңызды фактор деп есептеледі. Осыған байланысты ақпаратты сақтау мен өңдеумен қатар, оларды тарату, қажетті жерге жеткізу құралдарының болуы міндетті. Қазіргі заманда ғылымның, экономиканың, жалпы қоғамның дамуындағы байланыс технологияларының ролі аса зор.

«Ақпарат» туралы түсінік пен қатар, «хабарлама» туралы түсінік енгізілген болатын. Хабарлама дегеніміз ақпаратты белгілі бір форма түрінде бейнелеу. Хабарлама әртүрлі таңбалар мен белгілеулер арқылы бейнеленеді. Мысалы, қолданылатын шартты белгілер: әріптер, цифрлар, математикалық таңбалар, сөздер, суреттер және т.б. Сонымен, ақпаратты басқа жерге жіберу үшін ол хабарлама түріне келтірілуі тиіс.

Хабарламаны жіберу үшін белгілі бір ортадағы физикалық процесс қолданылады. Хабарламаны бейнелейтін физикалық процесті сигнал деп атайды. Көпшілігінде радиотехникалық жүйелерде электрлік сигнал пайдаланылады. Ақпаратты бір жерден екінші жерге жеткізу үшін оны қамтамасыз ететін белгілі бір жүйе қажет. Ондай жүйені байланыс жүйесі деп атайды. Байланыс жүйесінің негізгі міндеті – белгілі бір уақыт мерзімінде барынша көп мәліметтерді шынайы түрде, ешбір қатесіз жеткізу.

Бұл жерде екі түрлі проблема пайда болуы мүмкін:

- біріншіден, жіберілетін хабарлама үнемді болуы тиіс немесе оны кодтағандағы таңбалар саны барынша аз болуы;

- екіншіден, жіберілген хабарламадағы қателер барынша аз болатын кодтарды пайдалану.

Бұл жерде ақпаратпен байланысты процестерді сан түрінде бағалау қажет болады. Ол проблемамен айналысатын ғылым саласын ақпарат теориясы деп атайды.

Ақпарат алмасуда табиғи және жасанды таңбалардың жүйелері қолданылады. Таңбалар жүйесімен айналысатын ғылым саласы семиотека деп аталынады.

Сигналдар мен олардың түрлері. Жоғарыда айтылғандай, ақпаратты тасымалдаушы ретінде сигнал қолданылады. Сигналдар табиғи және жасанды болады. Табиғи сигналдарға жататындары жарық, акустикалық (дыбыс) және басқа табиғатта кездесетін әртүрлі табиғи құбылыстарда кездесетін сигналдар. Жасанды сигналдарды адамдар ақпарат жіберу үшін құрастырады. Сигналдың материалдық негізі ретінде физикалық нысана немесе процесс пайдаланылады. Оларды ақпарат (хабарлама) тасымалдаушысы деп атйды.

Ақпарат тасымалдаушысы ретінде табиғаты әртүрлі тербелістер пайдаланылады. Көбінесе электр тогы немесе электр кернеуі ақпарат тасымалдаушысы ретінде қолданылады. Электр толқынының амплитудасы, жиілігі және фазасы ақпараттық параметрлер болып есептеледі. Электрлік тербелістер екі түрлі болуы мүмкін:

- детерминделінген немесе кез келген уақыт сәтінде дәл анықталған;

- кездейсоқ немесе кейбір параметрлердің мәндері алдын ала анықталмаған және алдын ала білуге болмайтын.

Сигналдарды жіберу және жеткізу үшін арнайы ақпарат жеткізу жүйесі қолданылады. Оның құрамына хабарлама көзі (жіберуші) мен алушы, жіберуші және қабылдаушы құрылғылар, байланыс жолы кіреді.

Жіберуші құрылғы хабарламаны байланыс жолы арқылы жіберу үшін сигналға айналдыруды қамтамасыз етеді, ал қабылдаушы құрылғы сигналды қайтадан жіберілген хабарлама түріне айналдыруы тиіс. Қазіргі кездегі байланыс жүйелерінде осы міндеттерді модем деп аталынатын құрылғы орындайды.

Модем – модулятор және демодулятор деген сөздердің алғашқы екі және үш әріптерінен құралған термин. Модем екілік жүйедегі деректерді (биттерді) аналог сигналдарға айналдырады және қабылданған аналог сигналдарды қайтадан цифрлы түрге келтіреді.

Ақпарат жеткізу жүйесі дегеніміз ақпаратты берушіден алушыға жеткізуді қамтамасыз ететін техникалық құралдар: таратушы, қабылдағыш, байланыс жолы.

Байланыс арнасы дегеніміз ақпарат жеткізуге арналған физикалық орта мен аппараттық құрылңылар.

Қазіргі кезде негізінен аналог байланыс арналары қолданылады. Ал дискретті (екілік жүйеде кодталынған) ақпаратты аналог байланыс арнасы арқылы жеткізу үшін жіберетін жерде модуляция жасалуы тиіс. Физика пәнінен белгілі, жіберілетін деректерді тасымалдаушы толқынмен модуляция (біріктіріледі) жасалынады. Қабылдаушы хабарламаның бұрынға формасына келтіреді; оны демодуляция деп атайды. Осы амалдардың барлығын модем орындайды.

Бір арналы ақпарат берілісінің құрылымдық схемасын келесі түрде бейнелеуге болады:

хабарлама

сигнал

Хабарлама Сигнал+бөгеуіл

1-сурет. Ақпарат берілісінің құрылымдық схемасы

Мұндағы белгілеулер:

АК – Ақпарат көзі, АТ-Ақпарат түрлендіруші, К-кодтаушы, М – модуляциялаушы,

ДМ- демодуляушы (моудлянған деректерді қайта қалпына келтіру),

ДК – декодтау (кодталған хабарламаны қайта қалпына келтіру)

К өпшілік жағдайда үзіліссіз сигналдардан дискретті (үзілісті) сигнал алуға болады. Ол үшін дискреттеу әдістері қолданылады. Белгілі уақыт мерзімінде сигналдың қысқа бөлігі алынады. Уақыт мерзімін уақыт бойынша дискреттеу қадамы деп есептейді. Дискреттеу қадамы тұрақты немесе айнымалы болуы мүмкін.

Дискретті сигналды үзіліссіз сигналдан алудың басқа да түрі болады. Оны кванттау процесі деп атайды. Кванттаудың нәтижесінде үзіліссіз сигналдың орынына текпешек тәріздес функция алынады. Кванттау қадамы мен көрші екі деңгейдің қашықтығы тұрақты да, айнымалы да болады.

Егер уақыт бойынша дискреттеу немесе деңгейі бойынша кванттау процесі орындалса, онда сигналдарды цифрлы түрде бейнелеуге болады. Ондай сигналдар цифрлық сигналдар деп аталынады. Қазіргі кездегі техникалық құрылғылардың көпшілігі цифрлық сигналдарға бағытталған.