Классификация внешних запоминающих устройств

Устройства внешней памяти или ВЗУ весьма разнообразны, их можно классифицировать по целому ряду признаков. В зависимости от вида носителя ВЗУ классифицируются следующим образом:

Классификация ВЗУ

Накопители на магнитной ленте бывают 2-х видов: на бобинной ленте и на кассетной ленте (стример). В ПК используются только стримеры.

Накопители на дисках более разнообразны.

К магнитным дискам относятся дискеты и жесткий диск (винчестер). В магнитных дисках в качестве запоминающей среды используют магнитные материалы со специальными свойствами (с прямоугольной петлей Гистерезиса) позволяющей фиксировать два магнитных состояния, два направления намагничивания, одному состоянию соответствует 0, другому 1.

К оптическим дискам относятся:

классические компакт диски:

- СD-ROM - не перезаписываемые компакт диски ПЗУ (запись

производится методом штамповки на производстве);

- СD-R – компакт- диски с однократной записью (запись производится

пользователем в ПК);

- CD-RW – компакт диски перезаписываемые.

цифровые универсальные диски:

- DVD-ROM;

- DVD-R;

- DVD-RW.

К смешанным носителям относятся магнито - оптические диски, в которых сочетаются магнитная и оптическая технологии.

К качестве микросхемной внешней памяти используются флэш -карты и флэш -диски.

4. Основные параметры микропроцессора.

Основными параметрами микропроцессоров являются:

1. Разрядность.

2. Рабочая тактовая частота.

3. Размер кэш-памяти.

11. Конструктив.

12. Рабочее напряжение.

13. Число элементов и технология.

14. Число и глубина конвейеров.

15. Состав инструкций и т. д.

Управление процессором осуществляется с помощью сигналов, которые называются тактовыми импульсами (clock) и выдаются через фиксированные интервалы времени. Промежуток между двумя тактовыми импульсами составляет тактовый цикл (clock cycle) или такт. Для выполнения машинной команды процессор разделяет ее на последовательность шагов, каждый из которых выполняется за один такт Р. Обратное ей значение R = 1/Р, называется тактовой частотой ( clock rate) процессора, она определяет количеством тактов в секунду. Процессоры, используемые в современных ПК и рабочих станциях, имеют тактовую частоту от миллионов до миллиарда тактов в секунду.

U

t

P

Единица измерения тактовой частоты - Герц (Гц)- равен одному такту в секунду. Таким образом, частота равная 500 миллионам тактов в секунду, обозначается как 500 МГц, а частота, равная 1250 миллионам тактов в секунду, - как 1,25 ГГц.

Рабочая тактовая частота МП во многом определяет его внутреннее быстро-действие, поскольку каждая команда выполняется за определенное количество тактов. Быстродействие (производительность) ПК зависит также и от тактовой частоты шины системной платы, с которой работает (может работать) МП.

Конструктив определяет те физические разъемные соединения, в которые уста­навливается МП и которые определяют пригодность материнской платы для уста­новки МП. Разные разъемы имеют разную конструкцию (Slot - щелевой разъем, Socket - разъем-гнездо), разное количество контактов, на которые подаются сигналы и рабочие напряжения.

Рабочее(ие) напряжение(ия) - это напряжение питания, которое обеспечивает нормальную работу процессора. Это напряжение также определяет пригодность материнской платы для установки МП. Например, питающее напряжение для МП Реtium 80586- 5В, Реtium 4- 1,1- 1,85 В.

Число элементов - это количество полупроводниковых переходов, размещенное в интегральной схеме процессора.

Технология характеризуется размером элемента в микронах (микрометр- единица длины равная 10^{-6 метра) и нанометрах (единица длины равная 10-9 метра).}

Уменьшение размеров элементов обеспечивает возможность увеличения тактовой частоты и уменьшение нагрева МП, что в свою очередь позволяет понизить питающее напряжение МП.

Например, для МП Реtium 4 число элементов равно 42*10⁶, технология 0,18 mkm.

Конвейерное выполнение команд означает, что выполнение очередной команды начинается до завершения предыдущей, причем одновременно выполняются разных тактов команд в разных частях процессора с передачей результата из одной части процессора в другую.

Так как, команды в процессоре выполнятся не строго по очереди, а параллельно, производительность процессора значительно повышается.

Число стадий конвейера называется длиной или глубиной конвейера. Какова длина конвейера, столько команд одновременно он может обрабатывать. К современных процессорах длина (глубина) конвейера достигает 20.

Если в процессоре организуется несколько конвейеров команд, то такой режим называют суперскалярным.

Состав инструкций - это перечень, вид и тип команд автоматически исполняемых МП. Перечень и вид команд определяют непосредственно те процедуры, которые могут выполняться над данными в МП, и те категории данных, над кото­рыми могут выполняться эти процедуры.

Дополнительные инструкции в неболь­ших количествах вводились во многих МП (286, 486, Pentium Pro и т. д.). Но су­щественное изменение состава инструкций произошло в МП 386 (этот состав далее принят за базовый), Pentium MMX, Pentium III, Pentium 4

6.Статическая и динамическая оперативная память.

Оперативная память может строиться на микросхемах динамического (Dinamic Random Access Memory –DRAM) или статического (Static Random Access Memory –SRAM) типа.

Статический тип памяти обладает более высоким быстродействием, но значительно дороже динамического. В статической памяти элементы (ячейки) построены на различных вариантах триггеров – схем с двумя устойчивыми состояниями. После записи бита в такую ячейку она может пребывать в этом состоянии сколь угодно долго – необходимо только наличие питания. Ячейки статической памяти имеют малое время срабатывания (единицы наносекунд), однако микросхемы на их основе имеют низкую удельную ёмкость (единицы мегабайт на корпус) и высокое энергопотребление. Поэтому статическая память используется в основном в качестве микропроцессорной и буферной кэш - памяти.

В динамической памяти ячейки построены на основе полупроводниковых областей с накоплением зарядов - конденсаторов, занимающих гораздо меньшую площадь, нежели триггер, и практически не потребляющих энергии при хранении. Поскольку конденсаторы постепенно разряжаются (заряд сохраняется в ячейке несколько миллисекунд), то во избежание потери хранимой информации заряд в них необходимо постоянно регенерировать, отсюда и название памяти– динамическая. На подзаряд тратится и энергия и время, и это снижает производительность системы.

Ячейки динамической памяти по сравнению со статической имеют большее время срабатывания (десятки наносекунд), большую удельную плотность (порядка десятка мегабайт на корпус) и меньшее энергопотребление. Динамическая память используется для построения оперативных запоминающих устройств основной памяти.

7.Регистровая кэш – память

Регистровая кэш – память – высокоскоростная память сравнительно большой ёмкости, являющаяся буфером между ОП и МП и позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Регистры кэш – памяти недоступны для пользователя, отсюда и название кэш (Cache), что в переводе с английского означает «тайник».

В современных материнских платах используются конвейерная кэш – память с блочным доступом (Pipelined Burst Cache). В кэш – памяти хранятся копии блоков данных тех областей оперативной памяти, к которым выполнялись последние обращения, и весьма вероятны обращения в ближайшие такты работы – быстрый доступ к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. При выполнении программы, данные считанные из ОП с небольшим опережением, записываются в кэш – память. В кэш – память записываются и результаты операций выполненных МП.

По принципу записи результатов в оперативную память различают два типа кэш- памяти:

- в кэш – памяти «с обратной записью» результаты операций прежде, чем их записать в ОП, фиксируются, а затем контроллер кэш – памяти самостоятельно перезаписывает эти данные в ОП;

- в кэш – памяти «со сквозной записью» результаты операций одновременно, параллельно записываются и в кэш – память, и в ОП.

Следует иметь в виду, что для всех МП может использоваться дополнительная кэш – память 2 –го или 3 – го уровня, размещаемая на материнской плате вне МП, ёмкость которой может достигать нескольких мегабайт (кэш на материнской плате (МВ) относится к уровню 3, если МП, установленный на плате, имеет кэш 2 – го уровня). Время обращения к кэш – памяти зависит от тактовой частоты, на которой кэш работает, и составляет обычно 1-2 такта. Чем больше размер кэш – памяти, тем выше производительность, но эта зависимость нелинейная. Имеет место постепенное уменьшение скорости роста общей производительности компьютера с ростом размера кэш – памяти. Для современных ПК рост производительности, как правило, практически прекращается после 1 Мбайта кэш – памяти L2. Создаётся кэш – память на основе микросхем статической памяти.

8.Назначение и классификация ПЗУ.

Когда компьютер включается, программное обеспечение загружается с диска в основную память. Эту работу выполняет специальная загрузочная программа. Компьютер обычно содержит небольшую энергонезависимую память, в которой хранятся программы, выполняемые при включении компьютера первыми и обеспечивающие копирование программы загрузки с диска в основную память.

ПЗУ или ROM (Read Only Memory) - содержимое такой памяти только считывается, поэтому она называется памятью, доступной только для чтения. Структурно микросхемы ПЗУ организованны также как ОЗУ.

К ПЗУ принято относить энергонезависимые постоянные и полупостоянные ЗУ. По технологии записи информации можно выделить ПЗУ следующих типов:

1) Микросхемы программируемые при изготовлении – классические или масочные ПЗУ (ROM); они используются для хранения неизменных программ и данных, когда выпускается большое количество одинаковых микросхем. Сравнительно высокая стоимость процесса подготовки шаблона для записи информации делает производство небольших партий таких микросхем слишком дорогим.

2) Микросхемы программируемые пользователем однократно в лабораторных условиях ППЗУ (PROM- Programmable ROM);

3) Микросхемы программируемые многократно – перепрограммируемые ПЗУ (Erasable Programmable ROM- EPROM), могут использоваться для хранения программного обеспечения, которое время от времени должно обновляться. Содержимое микросхем EPROM можно стереть с помощью ультрафиолетового света через прозрачное окошко с корпусе микросхемы.

EPROM имеет два существенных недостатка: во-первых, при перепрограммировании чип нужно извлечь из схемы, а во-вторых, при перепрограммировании стирается все ее содержимое.

4) Микросхемы ЕEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM). Для стирания или записи микросхему не нужно извлекать из ЭВМ и содержимое можно изменять выборочно.

Флэш-память одна из разновидностей ЕEPROM. По сравнению с выше рассмотренными видами памяти флэш-память имеет большую емкость и меньшую стоимость в пересчете на бит, для нее достаточно напряжение питания одного уровня, и к тому же она более экономична.

Устанавливаемые на системной плате микросхемы – флэш, имеют емкость от 128Kb. Быстродействие у ПЗУ меньше чем у ОЗУ, поэтому для повышения производительности содержимое ПЗУ копируется в ОЗУ и при работе используется только эта копия, называемая теневой памятью ПЗУ.

9.Классификация внешних устройств.

Внешние (периферийные) устройства ПК – обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими компьютерами. ВУ составляют до 85 % стоимости всего ПК.

К внешним устройствам относятся:

- внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память ПК;

- диалоговые средства пользователя;

- устройства ввода информации;

- устройства вывода информации;

- средства связи и телекоммуникации.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи) и речевого ввода-вывода информации:

- видеомонитор (дисплей) – устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации;

- устройствам речевого ввода-вывода включают в себя различные микрофонные акустические системы, «звуковые мыши» со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и кодировать;

- синтезаторы звука, выполняющие преобразования цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединённые к компьютеру.

К устройствам ввода информации относятся:

- клавиатура – устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;

- графические планшеты (дигитайзеры) – устройства для ручного ввода графической информации в ПК;

- сканеры (читающие автоматы) – устройства для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, рисунков, чертежей;

- устройства указания (графические манипуляторы) - джойстик- рычаг, мышь, трекбол.

- сенсорные экраны – для ввода отдельных элементов изображения с полиэкрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

- принтеры – печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель;

- графопостроители (плоттеры) – устройства для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации (согласователи интерфейсов, адаптеры, цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи и т.п.) и для подключения ПК к каналам связи, к другим компьютерам и вычислительным сетям (сетевые интерфейсные платы и карты, мультиплексоры передачи данных, модемы).

В частности, показанный на рисунке сетевой адаптер относится к внешнему интерфейсу ПК и служит для подключения его к каналу связи с целью обмена информацией с другими компьютерами при работе в составе вычислительной сети. В качестве сетевого адаптера чаще всего используется модулятор-демодулятор.

Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе средств мультимедиа.

10.Классификация вычислительных систем.

Вычислительная система (ВС) – это совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих процессоров или ЭВМ, пери­ферийного оборудования и программного обеспечения, предназначен­ную для сбора, хранения, обработки и распределения информации. От­личительной особенностью ВС по отношению к ЭВМ является наличие в них нескольких вычислителей, реализующих параллельную обработ­ку. В качестве вычислителя может рассматриваться ЭВМ или процессор.

Существует большое количество признаков, по которым класси­фицируют

вычислительные системы:

- по целевому назначению и вы­полняемым функциям;

- по типу вычислителей;

- по типам ЭВМ или процессоров;

- по степени разобщенности элементов вычислительной системы;

- по методам управления элементами системы.

По назначению вычислительные системы делят на универсальные и специализированные. Универсальные ВС предназначаются для решения самых различных задач. Специализированные системы ориен­тированы на решение узкого класса задач, например, матрич­ные вычисления, решение алгебраических, дифференциальных и интегральных уравнений и т.п. Практика разработки ВС типа су­перЭВМ показала, что, чем выше их производительность, тем уже класс эффективно решаемых ими задач;

По типу вычислителей системы можно разделить на многома­шинные и многопроцессорные ВС. Многомашинные ВС содержат некоторое число компьютеров, информационно взаимодействующих между собой. Машины могут находится рядом друг с другом, а могут быть удалены друг от друга на значительное расстояние образуя вычислительную сеть. Многопроцессорные системы (МПС) строятся на нескольких процессорах, информационно взаимодействующих между собой либо на уровне регистров МПП, либо на уровне ОП.

По типу ЭВМ или процессоров, используемых для построения ВС, различают однородные и неоднородные системы. Однородные системы предполагают комплексирование однотипных ЭВМ (процессоров), неоднородные - разнотипных. В однородных системах значительно упрощается разработка и обслуживание технических и программных (в основном ОС) средств. В них обеспечивается возможность стандар­тизации и унификации соединений и процедур взаимодействия элемен­тов системы. Упрощается обслуживание систем, облегчается модерни­зация и их развитие. В неоднородных ВС, в которых комплексируемые элементы очень сильно отличаются по сво­им техническим и функциональным характеристикам обычно параллельного выполняется многофункциональ­ная обработка. Так, при построении ММС, обслуживающих каналы связи, целесообразно объединять в комплекс связные, коммуникацион­ные машины и машины обработки данных. Коммуни­кационные ЭВМ выполняют функции связи, контроля получаемой и передаваемой информации, формирование пакетов задач и т.д. Неоднородные системы находят применение и МПС. Многие ЭВМ, в том числе и ПЭВМ, могут использовать сопро­цессоры: десятичной арифметики, матричные и т.п.

По степени территориальной разобщенности вычислительных модулей ВС делятся на системы совмещенного (сосредоточенного) и распределенного (разобщенного) типов. Обычно такое деление каса­ется только ММС. МПС относятся к системам совмещенного типа. При появлении новых СБИС появляется возможность иметь в одном кристалле не­сколько параллельно работающих процессоров.

В совмещенных и распределенных ММС сильно различается опе­ративность взаимодействия в зависимости от удаленности ЭВМ.

По методам управления элементами ВС различают централизо­ванные, децентрализованные и со смешанным управлением. Помимо параллельных вычислений, производимых элементами системы, не­обходимо выделять ресурсы на обеспечение управления этими вычис­лениями. В централизованных ВС за это отвечает главная, или дис­петчерская, ЭВМ (процессор). Ее задачей является распределение на­грузки между элементами, выделение ресурсов, контроль состояния ресурсов, координация взаимодействия.

В децентрализованных системах функции уп­равления распределены между ее элементами. Каждая ЭВМ (процес­сор) системы сохраняет известную автономию, а необходимое взаи­модействие между элементами устанавливается по специальным на­борам сигналов.

В системах со смешанным управлением совмещаются процедуры централизованного и децентрализованного управления. Перераспре­деление функций осуществляется в ходе вычислительного процесса, исходя из сложившейся ситуации.

Литература

1. Максимов Н.В., Партыка Т.Л., Попов И.И. Архитектура ЭВМ и вычислительных систем.- М.:ФОРУМ-ИНФА-М.2007 г.

2. Пескова С.А., Кузин А.В. Архитектура ЭВМ. – М.:ФОРУМ-ИНФА-М.2007 г.

3. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации.-СПб.: ПИТЕР.2008г.

4. Хамахер К.,Вранешич З.,ЗакиС. Организация ЭВМ. 5-е издание.-СПб.: ПИТЕР.2008г

5. Колесниченко О., Шишигин И. Аппаратные средства РС.-СПб: Питер, 2009 г.

6. Пятибратов А.П. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. - М:. Финансы и статистика, 2007 г.