Внутрішні пристрої комп'ютерів. Процесори і пам'ять
Перше, представлене на малюнку пристрій комп'ютера, називається мікропроцесор. Перший мікропроцесор створений в 1971 році і призначалася для мікрокалькуляторів.
Мікропроцесор або центральний процесор (ЦП) - мозок ПК (англ. «CPU» - Central Processor Unit. Що означає блок центрального процесора). Процесор вибирає команди з пам'яті ПК, розшифровує і виконує їх. За цими командами він виконує арифметичні і логічні операції, отримує дані з пристроїв введення інформації і посилає результати на пристрої виведення. Процесор виробляє спеціальні сигнали синхронізації і управління, контролює роботу шини і всіх периферійних пристроїв. Конструктивно процесор спеціальну мікросхему, яка називається «чіп» (Chipset) або «БІС» (Велика інтегральна схема).
Крім центрального процесора застосовуються і інші спеціалізовані процесори, наприклад, арифметичний, званий співпроцесором (другий пристрій на схемі). Співпроцесор (англ. «NPU» - Numeric Processor Unit або «FPU» - Floating-Point Unit) - альтернативний математичний процесор. Він виконує математичні обчислення з плаваючою комою (крапкою) в кілька разів швидше власне процесора. Раніше представляв окрему «БІС». У сучасному виконанні він розміщується в одному корпусі з центральним процесором. З успіхом використовується і для прискорення виведення на екран дисплея графічних статичних і динамічних зображень. У комп'ютерах використовуються і спеціальні додаткові процесори, що встановлюються на відповідних картах (платах), наприклад, графічного адаптера.
Головним показником параметром, що характеризує процесор, як і сам комп'ютер, є продуктивність - швидкість обробки даних, тобто число мільйонів виконуваних команд в секунду (MIPS). Отже, одна з важливих характеристик комп'ютера - тактова частота. виражається в мегагерцах. У сучасних ПК вона досягає декількох гігагерц (ГГц).
Наступний параметр ПК (на схемі №3 і 4) - цифрова пам'ять. характеризується ємністю, яка вимірюється у байтах.
Розібратися з цим питанням можна, знаючи спосіб представлення інформації в ЕОМ. Розглянемо цю проблему. Для здійснення обробки інформації в ЕОМ, що вносяться до неї дані (букви, цифри, спеціальні знаки) кодуються, так як комп'ютер розуміє інформацію тільки в спеціальних машинних кодах.
У побуті користуються десятковою системою числення, яка застосовує набір цифр від «0» до «9». Будь-яке число в даній системі складається з одиниць, десятків, сотень, тисяч і т.д. Наприклад, число 153 можна уявити як 1 сотню, 5 десятків і 3 одиниці, або 1 * 102 + 5 * 10 + 3 * 100. Отже, підставою даної системи числення є число 10.
Для подання інформації в обчислювальній техніці використовується двійкова система числення. підставою якої є цифра 2. Ця система складається з двох цифр «0» і «1», що вельми зручно для будь-яких електронних пристроїв. Нуль і одиниця сприйматися системою як наявність або відсутність сигналу, як логічно хибне або вірне твердження і так далі, а потім легко перетворюватися в електричні сигнали для їх подальшої обробки.
Будь-яке число, представлене в двійковій формі, складається з суми чисел, що мають значення 2 певною мірою «n2. Так, 20 = 1, 21 = 2, 22 = 4, 23 = 8, 24 = 16, 25 = 32, 26 = 64, 27 = 128, 28 = 256 і т.д.
Як приклад наведемо число 153 десяткової системи числення у вигляді двійкового числа: 1 * 27 + 1 * 24 + 1 * 23 + 1 * 20. Якщо провести відповідні обчислення, то отримаємо 128 + 16 + 8 + 1 = 153.
В обчислювальній техніці прийнято вважати мінімальною одиницею інформації біт (англ. «Binary digit» - двійкова цифра), тобто цифри «1» або «0» або команди «Включено» - наявність сигналу і «Виключено» - відсутність сигналу. Загальноприйнятою одиницею інформації є байт.
1 байт = 8 бітів, тобто він представляє послідовність з восьми одиниць і нулів. Байт відповідає одному символу, знаку або цифрі.
Для кодування двійкових символів в США була розроблена спеціальна таблиця (American Standard Code for Information Interchange. ASCII), якою користуються у всьому світі. Кожному символу, цифрі або знаку в ній присвоюється десятковий код від 0 до 255 (28).
Перші 32 символу і символ з кодом 127 є службовими. Символи з кодами від 32 до 127 визначені як стандартні для всіх IBM-сумісних комп'ютерів, включають латинський алфавіт і затверджені ISO (міжнародна організація по стандартизації в різних областях життєдіяльності людини). Символи від 128 до 255 використовуються для реалізації національних алфавітів - розширена частина кодової таблиці. Наприклад, деякі літери російського алфавіту мають наступну десяткову систему кодування: заголовна «А» відповідає коду 128, рядкова «а» - 160, рядкова «м» - 172 і заголовна «М» - 140. У двійковій інформації десятковий код 140 можна уявити, як наступну послідовність біт 10001100 = 128 + 8 + 4 = 140.
Електронна (машинна) пам'ять комп'ютера ділиться на внутрішню і зовнішню. «Внутрішня пам'ять» складається з оперативної, постійної пам'яті і Кеш-пам'яті.
Її продуктивність (швидкість, частота) дорівнює продуктивності центрального процесора. При цьому забезпечується узгодження в часі роботи цих двох основних пристроїв комп'ютера і досягається висока продуктивність комп'ютера.
Оперативна пам'ять (третій пристрій на схемі) або оперативний пристрій (ОЗУ) - спеціальна внутрішня пам'ять, що дозволяє швидко записувати в неї і зчитувати з неї необхідну інформацію - масив кристалічних осередків, здатних зберігати дані.
Інформація в цій пам'яті зберігається лише до будь-якого (короткочасної або довготривалої) відключення електроживлення комп'ютера, тому її називають енергозалежною, тимчасової пам'яттю або по-англійськи «RAM» (Random Access Memory - пам'ять довільного доступу). Зазвичай в комп'ютерах використовується «DRAM» - динамічна пам'ять, що складається з осередків у вигляді мікроконденсаторів, здатних накопичувати заряд на своїх обкладинках.
Під час роботи комп'ютера інформація в оперативній пам'яті постійно оновлюється. У ній знаходяться всі виконувані в даний конкретний момент часу програми. Вони - елементи текстів, даних, програми і т.д. розташовуються в спеціальних осередках пам'яті.
В даний час досить широко використовується кеш-пам'ять (Cache Memory). Вона буває внутрішня (вбудована, наприклад, в процесор) і зовнішня. Зовнішня кеш-пам'ять - сверхоперативная (надшвидка) пам'ять, розташована як буфер між процесором і ОЗУ, в накопичувачах на жорстких магнітних дисках і т.д. для зберігання проміжних результатів. Вона сприяє підвищенню продуктивності роботи комп'ютера. Вона служить для зменшення кількості тактів очікування процесора при звернення до більш повільної «RAM».
У IBM-сумісних ПК оперативна пам'ять розподіляється наступним чином:
640 Кб - основна пам'ять ПК (Conventional Base Memory - стандартна базова пам'ять)
384 Кб - верхняяпамять до 1 Мб (UMA - Upper Memory Area),
зарезервована область для системних потреб. У ній:
(Зазвичай використовується не повністю).
128 Кб - резерв для адаптерів з власної «ROM BIOS».
128 Кб - «System BIOS», «ROM» на системній платі.
Вище 1 Мб - Розширена пам'ять (Extended Memory)
Чи не зайняті області UMA драйверів, за допомогою драйвер DOS - EMM386, можуть використовуватися як блоки верхньої пам'яті UMB (Upper Memory Block) для розміщення в них резидентних програм.
Розширена пам'ять. в свою чергу, складається з:
# 9679; програмної специфікації (EMS - Expanded Memory Specification), що використовує 4 сторінки верхньої пам'яті по 16 Кб;
# 9679; програмної специфікації (XMS - eXtended Memory Specification), що використовує захищений режим за допомогою драйвера DOS - HIMEM.SYS;
# 9679; високою пам'яті (HMA - High Memory Area).
Четвертим із представлених на схемі пристроїв є незалежне постійний запам'ятовуючий пристрій (ПЗУ) або, по-англійськи, «ROM» ( «Read-Only-Memory»). ПЗУ призначено для зберігання системних програм, які керують роботою зовнішніх пристроїв комп'ютера, службових програм діагностики, контролю та ін. Воно використовується для «BIOS» (Basic Input / Output System - базова система введення-виведення), що відповідає за процедуру самоперевірки комп'ютера, тобто . запускає знаходиться в ній тест «POST» (Power-On Self-Test); за виконання програми самозавантаження комп'ютера (boot-strapping); а також містить низькорівневі інтерфейси і мову програмування BASIC. Ця мікросхема встановлюється на материнській платі і зберігає в собі основні (базові) настройки комп'ютера.
Процесор і внутрішні запам'ятовуючі пристрої є головними модулями будь-якого обчислювального пристрою. Їх досить для того, щоб комп'ютер почав працювати. Але для забезпечення діалогу з людиною цього мало, так як неможливо передавати відповідні завдання і повідомляти користувачеві результати їх вирішення та ін.
Усі інші пристрої комп'ютера зазвичай називаються зовнішніми. Зв'язок їх з вищеназваними основними модулями здійснюється за допомогою спеціального внутрішнього устрою або модуля, який називається «шина».
Шина або магістраль (п'яте пристрій на схемі) забезпечує взаємодію процесора і внутрішніх запам'ятовуючих пристроїв з усіма зовнішніми пристроями через плати розширення (карти), що встановлюються в спеціальні роз'єми (слоти).
Всі розглянуті вище пристрої і деякі інші розташовані безпосередньо на головній, системної платі, яка називається «System board» або «Mother board» - системна (материнська) плата.
Для підключення різних зовнішніх пристроїв в слоти вставляються контролери або адаптери (шосте пристрій на схемі). Підключаються зовнішні пристрої забезпечують не тільки власне роботу комп'ютера (контролери дисплея, накопичувачів на магнітних носіях та ін.), Але надають користувачам різні додаткові можливості, наприклад, мережевий адаптер, карти мультимедіа ( «Multimedia») і ін.
Пристрої вводу / виводу і довготривалого зберігання інформації
Зовнішні пристрої зберігання інформації називають зовнішньою пам'яттю. Вони представляють незнімні і знімні (переносні) пристрої довготривалого або тимчасового зберігання інформації. Більш докладно про них мова йде в темі 5. Тут розглядаються лише основні відомості, що стосуються даної теми.
Зовнішня пам'ять подібно бібліотеці є сховищем будь корисної інформації, обсяг якої значно перевищує обсяг внутрішньої пам'яті комп'ютера. До пристроїв і носіїв зовнішньої пам'яті відносять: диски, дискети та інші пристрої, що запам'ятовують прямого доступу на магнітних, оптичних, магнітооптичних та інших носіях.
Зовнішня довгострокова пам'ять - місце тривалого зберігання даних, що не використовуються в конкретний момент часу користувачем і оперативною пам'яттю комп'ютера.
Зберігання інформації здійснюється на різних її носіях. Якщо інформація з носія може тільки зчитуватися, то такий носій або пристрій його містить можна назвати пристроєм виведення і зберігання інформації. Якщо носій дозволяє записувати, зчитувати, модернізувати, знищувати і зберігати інформацію, то такий носій і (або) пристрій з таким носієм називають пристроєм вводу / виводу і зберігання інформації.
Основними представниками пристроїв зовнішньої пам'яті є накопичувачі на гнучких і жорстких магнітних дисках. Крім того, існують пристрої, що запам'ятовують у вигляді оптичних лазерних дисків (тільки для читання - CD-ROM, для запису - CD-R, для перезапису - CD-R W), різні модифікації DVD. магнитооптические носії інформації: гнучкі (Floptical drivers) і жорсткі (MOD - Magneto-Optical Drivers), магнітні стрічки (стримери) і мікросхеми (флеш-карти). Їх параметри, матеріали носіїв і особливості, в тому числі зберігання, розглянуті в темі 5.
Першими, з точки зору появи, є гнучкі магнітні диски або дискети (англ. «Floppydiskettes»). Вони використовуються з 1980 року. Сучасні дискети мають розмір 3,5 "(89 мм) і є переносними носіями, що дозволяють здійснювати процедури введення / виведення і зберігання інформації. Пристрій для роботи з ними називається накопичувач на гнучких магнітних дисках (НГМД) або флоппі драйвер (англ. «Floppy driver»). Це зовнішній пристрій встановлюється всередину системного блоку. Нині гнучкі носії не відповідають вимогам сучасних користувачів і все менше використовуються ними. Свідченням їх висока вартість (приблизно 15 рублів), ненадійність зберігання записаних на них даних і невеликий обсяг максимально зберігається (1, 44 Мб).
Система запису на дискети дещо схожа на систему запису на платівки, на відміну від яких запис здійснюється не по спіралі, а на концентричні кола - доріжки (англ. - «траки» / traks /), розташовані на двох сторонах дискети і утворюють як би циліндри . Кола, в свою чергу, діляться на сектори (Рис. 6-3). Кожен сектор. не залежно від розмірів доріжки, має однаковий розмір, рівний 512 байт, що досягається різною щільністю запису: меншою на периферії і більшою ближче до центру дискети.
Ємність дискети визначається досить просто. Необхідно помножити кількість кіл (доріжок) на кількість секторів. Наприклад, помноживши 80 доріжок на 18 секторів і на дві сторони дискети отримаємо 80 * 18 * (512б * 2) = 1474560 байт або 1, 47 Мб - ємність сучасної дискети.
Придбана дискета відформатована заводським методом для роботи з IBM-сумісних комп'ютерами, тобто розмічена таким чином, щоб відразу можна було виробляти на неї запис, і зчитування записаної машиночитаемой інформації. У разі необхідності її можна виконати форматування (ініціалізацію). Для виконання операції форматування дискет можна скористатися спеціальною програмою «Format». В ОС Windows ця процедура здійснюється наступним чином. У папці «Мій комп'ютер» треба вибрати піктограму «Диск 3,5" (А) »і, ставши на неї курсором миші, натиснути її праву клавішу. При цьому відкриється меню, що випадає піктограми «Диск 3,5" (А) », в якому є пункт« Форматувати ». Його треба активізувати і виконати процедури, пропоновані в вікні «Формат Диск 3,5 (А)» (Рис. 6-4).
Дискети все більш замінюються компакт-дисками, обсяг яких досягає 700 Мб, а вартість порівнянна з вартістю гнучких дискет.
Наступним пристроїв зовнішньої пам'яті є жорсткий магнітний диск.
Жорсткий диск (англ. «Harddisks») являє набір розташованих один над одним, як полки етажерки, і жорстко скріплених між собою дискет (дисків). До кожної такої дискеті підходить своя головка читання / запису. Разом ці головки жорстко укріплені на одній осі (Рис. 6-5.). Набір цих дисків встановлюється в спеціальний герметизований корпус, і все разом називається накопичувачем на жорсткому магнітному диску (НЖМД) або HDD (Hard disk drives).
Це незнімне зовнішній пристрій встановлюють всередину системного блоку. НЖМД є пристроєм вводу / виводу і зберігання інформації. Його не рекомендують переносити так само, як дискети ( «Non removable Disks»). Незважаючи на свою назву, жорсткий диск дуже крихке пристрій, чутливе до перевантажень, ударам і поштовхам.
Коли дисковод працює, між кожною головкою і поверхнею диска утворюється аеродинамічна подушка. Головка ширяє над магнітною поверхнею на висоті в кілька тисячних часток міліметра. Роботою НЖМД управляє спеціальний апаратно-логічний пристрій - контролер жорсткого диска. Таке технічне рішення дозволяє значно збільшувати щільність запису і довготривало (кілька років) зберігати на дисках велика кількість інформації (мільйони дискет).
Основними параметрами HDD є ємність і продуктивність і швидкодію. Ємність сучасних пристроїв досягає декількох сотень Гб.
Продуктивність визначається внутрішньої швидкістю передачі даних і вимірюється в Мбайт / с (від кількох до десятків і сотні Мбайт / с). Вона в більшій мірі залежить від характеристик інтерфейсів, що зв'язують НЖМД з материнською платою. Підключення НЖМД в комп'ютері здійснюється до роз'ємів, розташованим на материнській платі, спеціальними інтерфейсними кабелями (шлейфами).
Швидкодія - час доступу до даних. Зазвичай звертають увагу на середній час доступу - інтервал часу, необхідний для пошуку потрібних даних. Воно залежить від швидкості обертання диска. Для дисків з частотою обертання 5400 об / хв середній час доступу складає 9-10 мкс, для дисків з частотою 7200 об / хв - 7-8 мкс. Більш високорівневі пристрої забезпечують середній час доступу до даних 5-6 мкс.
Запис даних на магнітний шар здійснюється лазерним променем. При цьому використовується двухпрохідному процес запису. Магнітні зміни в диску можуть відбуватися тільки при одночасному впливі двох умов: магнітного поля і певної температури, створюваної лазером, при цьому ймовірність втрати інформації дуже мала.
До оптичних пристроїв зовнішньої пам'яті відносяться лазерні компактні диски.