ПЗУ и внешняя память.

Из-за зависимости от питания (обнуляется при отключении питания) и ограниченного размера оперативной памяти большинство машин снабжены устройствами хранения данных (mass storage sistem), которые включают в себя магнитные диски, компакт-диски и магнитные ленты. Основными отличиями устройств хранения данных от оперативной памяти являются их независимость от питания, большая емкость и, в большинстве случаев, автономность, то есть возможность перемещать запоминающую среду независимо от компьютера, что удобно для создания архивов.

Главным недостатком устройств хранения данных является то, что они требуют механического движения и, следовательно, обладают большим временем отклика по сравнению с оперативной памятью машины, которая является электронной.

Магнитные диски – тонкий вращающийся диск с магнитным покрытием. Запись информации на них основана на способности некоторых материалов, содержащих железо, сохранять намагниченность после кратковременного воздействия магнитного поля. Двоичные нули и единицы записываются на кольцеобразные дорожки диска в виде двух по-разному намагниченных участков. Головки чтения/записи располагаются над и/или под диском, так что, когда диск вращается, головка очерчивает кольцо на поверхности диска, называемое дорожкой. Дорожки разделены на дуги, которые называются секторами (на них информация записана в виде непрерывной последовательности битов размером 512байт). Емкость накопителя на дисках зависит от числа используемых дисков (поверхностей) и плотности расположения дорожек и секторов. Разбиение диска на дорожки и сектора называется форматированием диска.

Диски большой емкости, способные вмещать гигабайты информации, состоят из 5 – 10 жестких дисков, установленных на общем шпинделе. Устройство называется жестким диском (винчестером). Для большей скорости вращения головки чтения/записи в этих устройствах не соприкасаются с диском, а «плавают» над его поверхностью. Жесткий магнитный диск размещается внутри компьютера. Компьютер может иметь пакет (несколько) винчестеров.

Дискета представляет собой гибкий магнитный диск.

Компакт-диски – диски, состоящие из отражающего материала, покрытого прозрачным защитным слоем. Запись информации на них осуществляется посредством изменения структуры их отражающего слоя. Информация извлекается с диска при помощи лазерного луча, который контролирует отличия структуры отражающего слоя диска по мере его вращения. Информация на дисках формата CD-DA (емкость 500-700Мбайт) хранится на дорожке, похожей на спиральный желобок грампластинки. Формат DVD имеет емкость до 10Гбайт.

Магнитные ленты – информация записывается на магнитный слой тонкой пластиковой ленты, которая для хранения наматывается на бобину. Используется для автономного хранения данных (архив).

Флэш-диск – устройство хранения данных, содержащее микросхему электронной энергонезависимой памяти.

Информация на носителях хранится в виде файлов. Файл рассматривается как один многобитовый блок. Файл – область на магнитном диске, наименьшая единица хранения информации, содержащая последовательность байтов и зарегистрированная операционной системой под своим уникальным именем. Уникальное имя файла состоит из имени и расширения (типа файла). Тип файла изменить произвольно нельзя. Параметры, характеризующие файл (свойства): 1) полное имя файла; 2) объем файла в байтах; 3) дата создания файла; 4) время создания файла; 5) атрибуты файла, которые определяют степень доступа к файлу.

Логический диск - это либо весь диск, либо часть диска, предназначенная для хранения определенного объема информации. Логический диск обозначается большой латинской буквой с двоеточием. В компьютере может иметься доступ к нескольким жестким дискам, дисководам для дискет, CD-ромам. Каждый из них может представлять собой отдельный логический диск, но некоторые жесткие диски могут быть разделены на части, каждая из которых является отдельным логическим диском. Компьютер работает с каждым логическим диском как с отдельным устройством, хотя на самом деле он может представлять собой лишь часть реального (физического) диска и даже часть оперативной памяти.

Каталог (директория, англ.directory) (папка) - часть логического диска, предназначенная для хранения определенного объема информации (в виде файлов). Каталог может включать в себя несколько других каталогов (подкаталогов) и входить в состав другого каталога (надкаталога). Логический диск также является каталогом самого высокого уровня - корневым каталогом. Таким образом, на диске образуется система каталогов, имеющая древовидную (иерархическую) структуру.

Структура обработки информации на ЭВМ выглядит следующим образом. При вводе она кодируется единицами и нулями, т.е. битами, затем обрабатывается байтами. Если необходимо сохранить информацию – она «упаковывается» в файлы. При обращении к файлам происходит обратный процесс перехода от кодовой формы к естественной и понятной нам (декодирование информации).

Процессор.

Кроме способности хранить данные, компьютер должен обладать способностью обрабатывать их так, как это предписано алгоритмом. Это значит, что машина должна иметь средства выполнения операций над данными и средства контроля последовательности этих операций. Такие задачи выполняются устройством, которое называется центральным процессором. Процессор— устройство, обеспечивающее преобразование информации и управление другими устройствами компьютера. Современный процессор представляет собой микросхему (англ. chip - чип), выполненную на миниатюрной кремниевой пластине - кристалле. Поэтому его принято называть микропроцессором. В последних моделях микропроцессоров содержится до нескольких миллионов электронных компонентов. Чем больше компонентов содержит микропроцессор, тем выше производительность компьютера. Размер минимального элемента микропроцессора в 100 раз меньше диаметра человеческого волоса. Микропроцессор имеет контакты в виде штырьков, которые вставляются в специальный разъем (сокет) на материнской плате. Разъем имеет форму прямоугольника с несколькими рядами отверстий по периметру.

Центральный процессор состоит из арифметико-логического устройства (АЛУ), которое содержит схему, манипулирующую данными, и устройства управления, которое содержит схему, координирующую деятельность машины (см. рис. 1.1).

Для временного хранения обрабатываемой информации в процессоре содержатся ячейки, или регистры, которые похожи на ячейки оперативной памяти. Они хранят входные данные схемы арифметико-логического устройства и обеспечивают область памяти для хранения результата, порождаемого этим устройством. Устройство управления передает данные из оперативной памяти в регистры общего назначения, информирует арифметико-логическое устройство о том, в каких регистрах хранятся данные, активирует соответствующую схему в арифметико-логическом устройстве и сообщает ему, в каком регистре должен храниться результат.

Важной характеристикой процессора является его производительность (количество элементарных операций, выполняемых им за одну секунду), которая и определяет быстродействие компьютера в целом. В свою очередь, производительность процессора зависит от двух других его характеристик - тактовой частоты и разрядности. В машине находится схема, которая называется тактовым генератором, котораягенерирует импульсы, использующиеся для координирования действий машины. Тактовая частота определяет число тактов работы процессора в секунду. Соответственно чем выше тактовая частота, тем меньше длительность выполнения операций и тем выше производительность компьютера. Под тактом понимается чрезвычайно малый промежуток времени, измеряемый микросекундами, в течение которого может быть выполнена элементарная операция, например сложение двух чисел. Современный персональный компьютер может выполнять миллионы и миллиарды таких элементарных операций в секунду. Для числового выражения тактовой частоты используется единица измерения частоты — мегагерц (МГц)=миллион тактов в секунду, гигагерц (ГГц)= млрд. операций в секунду. Процессор 8086, произведенный фирмой Intel для персональных компьютеров IВМ, мог выполнять не более 10 млн. операций в секунду, т. е. его частота была равна 10 МГц. Тактовая частота современных микропроцессоров составляет гигагерцы.

Разрядность процессора определяет размер минимальной порции информации, над которой процессор выполняет различные операции обработки. Эта порция информации, часто называемая машинным словом, представлена последовательностью двоичных разрядов (бит). Процессор в зависимости от его типа может иметь одновременный доступ к 8, 16, 32, 64 битам. С повышением разрядности увеличивается объем информации, обрабатываемой процессором за один такт, что ведет к уменьшению количества тактов работы, необходимых для выполнения сложных операций. Кроме того, чем выше разрядность, тем с большим объемом памяти может работать процессор. Первые микропроцессоры (1971 г. — фирма Intel) имели разрядность 4 бит, тактовую частоту 108 КГц и способность адресовать 640 байт основной памяти. Современные компьютеры оснащаются 32-разрядными процессорами, и при этом их оперативная память обычно составляет 2 – 16 Гбайт.

Основным устройством обработки информации в ЭВМ является арифметико-логическое устройство, входящее в состав процессора. Его основой является электронная схема, составленная из большого числа транзисторов, называемая сумматором. Сумматором выполняются простейшие логические и арифметические операции над данными, представленными в виде двоичных кодов (нулей и единиц). Арифметические операции: изменение знака, сложение, вычитание, умножение, деление. К логическим операциям относятся логическое умножение (операция "и"), логическое сложение (операция "или") и логическое отрицание (операция "не"). На основе этих трех операций можно производить арифметические действия над числами, представленными в виде нулей и единиц.

Теоретической основой для выполнения логических операций являются законы, разработанные еще в 1847 году ирландским математиком Джорджем Булем (1815-1864), известные как булева алгебра, в которой используются только два числа - 0 и 1. Вначале считалось, что эти работы Буля никому не нужны, и их автор подвергался насмешкам. Однако в 1938 году американский инженер Клод Шеннон положил булеву алгебру в основу теории электрических и электронных переключательных схем - сумматоров, создание которых и привело к появлению ЭВМ, способных автоматически производить арифметические вычисления.

Все остальные операции, сводятся к большому числу простейших арифметических и логических операций, аналогично тому, как операцию умножения можно свести к большому числу операций сложения. [2, 3, 8]

Вследствие такого строения компьютера задача сложения двух значений, хранящихся в оперативной памяти, представляет собой больше, чем простое выполнение операции сложения. Этот процесс включает в себя и работу устройства управления, которое координирует передачу информации между оперативной памятью и регистрами, находящимися в центральном процессоре, и работу арифметико-логического устройства, которое выполняет операцию сложения по команде устройства управления. Процесс сложения двух чисел можно разбить на пять шагов:

1) взять одно из значений из памяти и поместить его в регистр;

2) взять другое значение из памяти и поместить его в другой регистр;

3) активировать схему сложения, на входе которой будут данные из регистров;

4) сохранить результаты в памяти;

5) стоп.

Для того чтобы можно было применять принцип хранимой программы, центральный процессор должен уметь распознавать инструкции, представленные в двоичном коде. Этот набор указаний вместе с системой кодирования называется машинным языком. Инструкции, написанные на этом языке, называются машинными командами. Список команд, которые должен выполнять и декодировать центральный процессор достаточно короткий.

Все машинные команды можно разделить на три группы:

- команды передачи данных (предписывают перемещение данных из одного места в другое. Как пример, шаги 1,2 (команды загрузки) и 4 (команда сохранения) вышерассмотренного алгоритма. В команды передачи данных входят инструкции для связи центрального процессора с внешними устройствами);

- арифметико-логические команды (в примере шаг 3. К этим командам относятся и команды сдвига);

- команды управления (управляют процессом выполнения программы. В примере шаг 5. Это команды перехода - условного и безусловного - и ветвления). [1]

ПК выполняет программу, хранящуюся в памяти, считывая команды из памяти в устройство управления. Как только команда попадает в устройство управления, она расшифровывается и выполняется. Порядок, в котором команды выбираются из памяти, соответствует порядку их хранения в памяти, если другой порядок не определен командой перехода.