Внутренняя память компьютера (оперативная, кэш-память, постоянная память). Состав и назначение каждого вида памяти, основные характеристики

- Оперативная память (RAM - Random Access Memory - память с произвольным доступом) - электронная память для хранения программ и данных, которые обрабатываются процессором в данный момент времени. В оперативной памяти хранится временная информация, которая изменяется в ходе выполнения микропроцессором различных операций. Оперативная память обеспечивает режимы записи, считывания и хранения информации, причем в любой момент времени возможен доступ к любой произвольно выбранной ячейки памяти. Микросхемы оперативной памяти являются энергозависимыми устройствами, т.е. при выключении питания компьютера стирается вся находящаяся в оперативной памяти информация. Если необходимо сохранить результаты обработки надолго, то следует воспользоваться каким-либо внешним запоминающим устройством.

- КЭШ-память. Для увеличения производительности компьютера, согласования работы устройств с различным быстродействием современный компьютер использует еще один вид памяти - кэш-память (от англ. cache - тайник, склад). Кэш-память является промежуточным запоминающим устройством или буфером.

Она используется при обмене данными между микропроцессором и RAM, между RAM и внешним накопителем. Использование кэш-памяти сокращает число обращений к жесткому диску за данными, т.к. в ней хранятся данные, которые могут понадобиться в процессе обработки информации.

- Постоянная память - электронная память для долговременного хранения программ и данных. В постоянной памяти хранится информация, записанная на предприятии-изготовителе. Постоянная информация включает основные системные программы, которые автоматически запускаются при включении компьютера. Эти программы предназначены для проверки исправности компьютера и первоначальной загрузки операционной системы, содержат специальные инструкции, детализирующие выполнение компьютерных операций. Компьютер может читать или исполнять программы из постоянной памяти, но он не может изменять их и добавлять новые. Это свойство постоянной памяти объясняет английское название ROM (Real Only Memory - память только для чтения).

Постоянная память, так же как и оперативная, реализуется интегральными схемами (микросхемами). Но её микросхемы являются энергонезависимыми. Включение питания не приводит к потере данных.

6. Средства перемещения данных внутри компьютера – шины и интерфейсы передачи данных. Виды и типы шин. Назначение каждого вида. Понятие порта.

Порт — обычно соединение (физическое или логическое), через которое принимаются и отправляются данные

Шины, как известно, используются для передачи данных от центрального процессора к другим устройствам персонального компьютера. Для того, чтобы согласовать передачу данных к отдельным компонентам, работающих на своей частоте, используется чипсет – набор контроллеров, конструктивно объединенных в Северный и Южный мосты. Северный мост отвечает за обмен информацией с оперативной памятью и видеосистемой, Южный – за функционирование других устройств, подключаемых через соответствующие разъемы – жесткие диски, оптические накопители, а также устройств, находящихся на материнской плате (встроенная аудиосистема, сетевое устройство и др.), и для внешних устройств – клавиатура, мышь и т.д.

Для связи процессора с мостами используется шина FSB (Front Side Bus) (наиболее часто используемые в настоящее время Hyper-Transport и SCI), северный мост (иногда называемый системным контроллером) позволяет функционировать наиболее производительным устройствам – видеоадаптеру с помощью шины PCI Express 16x и оперативной памяти через шину памяти. Южный мост обеспечивает работу менее скоростных устройств, подключаемых с помощью карт расширения (аудиокарты, сетевые карты, видеокарты и т.д.) через шины PCI и шину PCI Express, оптических дисководов и жестких дисков через шины ATA (ранее называемых IDE, сейчас имеют название PATA (Parallel ATA) и более современные шины SATA. Еще более медленные устройства подключены к южному мосту через шину LPC – микросхема BIOS, мультиконтроллер для связи с внешними устройствами через последовательные и параллельные порты – клавиатурой, мышью, принтером и др.

Отметим, что в наиболее современных компьютерах функции северного моста выполняет центральный процессор

В компьютере имеется несколько шин, по которым передаются данные. Основной является шина между центральным процессором и Северным мостом. Следующая шина имеется между процессором и оперативной памятью (раньше она была между Северным мостом и оперативной памятью).

Шина данных передает непосредственно данные, и чем больше она имеет линий, тем больше данных можно передать за один такт, поэтому число линий постоянно увеличивается.

Для передачи данных внутри компьютера используются специальная шина, которая состоит из трех частей, по которым передаются данные, адреса, управляющие сигналы, а также заземление, напряжение и пр. То есть, практически данные передаются по трем частям: шина адреса, шина данных и шина управления. Число линий адресной шины определяет максимальное адресное пространство, куда можно пересылать данные, в основном, в оперативную память. Процессор 8086 имел 20 линий для адреса и мог адресовать 220 = 1 мегабайт памяти, в 286 имелось 24 линий (224 =16 мегабайт), в 386 – 32 линии (232 = 4 гигабайта), современные компьютеры имеют больше 32 линий. То есть, чем больше линий в адресной шине, тем большее количество оперативной памяти поддерживает материнская плата.

Через разъемы материнской платы, через вставляемые платы передается информация к/от процессора к внешним устройствам по отношению к материнской плате. Через эти разъемы, естественно, нельзя передавать больше данных, чем это поддерживает внутренняя системная шина, а обычно меньше, в зависимости от типа шины, с которой работают карты расширения. Существует несколько видов шин и, соответственно, разъемов: ISA, EISA, PCI и другие. В последних моделях компьютеров применяется в основном более производительная шина PCI-Е. Но довольно много устройств до сих пор работают с менее производительными шинами. Поэтому в современных материнских платах установлено до 5 различных шин и им соответствующим разъемам.

Шина SCSI (Small Computer System Interface – небольшой системный компьютерный интерфейс) разработан для подключения к шине больших массивов устройств, таких как, жесткие диски, оптические накопители, стримеры, принтеры и пр. Поэтому используется в основном в серверных компьютерах или компьютерах с системой RAID. В домашних компьютерах практически не используется. После 2003 года стала развиваться технология SAS (Serial Attached SCSI) для работы с жесткими дисками и ленточными накопителями. К разъему SAS можно подключить устройства SATA, но не наоборот. Обеспечивает пропускную способность 1.5, 3.0, 6.0 Гбит/сек, ожидается 12 Гбит/сек. Позволяет подключать не только накопители в 3.5 дюйма, но и 2.5 дюйма.

Шина EIDE предназначается для подключения жестких дисков и оптических накопителей. Также называется как ATA или РАТА (параллельная АТА). Сейчас вытесняется шиной SATA, но, тем не менее, устанавливается и на современных платах, так как к нему можно подключить несколько оптических накопителей (два на каждый разъем).

Так появилась шина IDE, являющаяся частью шины ISA, которая выведена на специальный разъем (в современных устройствах два разъема) на материнской плате. Сначала был разработан стандарт работы шины под названием АТА, затем ATAPI, который позволял работать с оптическими накопителями. Со временем появился расширенный вариант EIDE со стандартом АТА и в дальнейшем расширение стандарта - ATAPI. Если устройств, подключаемых к разъему EIDE, больше, чем может поддержать компьютер, то требуется установить специальную карту, к которой можно подключить еще несколько устройств.

Шина PCI (Peripheral Component Interconnect - соединение периферийных компонентов) также не основана на шине ISA и является вполне самостоятельной, синхронной шиной, разработана компанией Intel, первые версии работали с частотой 33 Мгц, имела 32-битный (или 64-битный) канал и является независимой от центрального процессора, то есть позволяет передавать данные в то время, когда процессор занят другими вычислениями. Теоретическая пропускная способность шины была 133 Мбайт/сек, реально – 80 Мбайт/сек. Эта шина до сих пор имеет широкое распространение.

В разъем шины PCI можно подключать карты: имеющие питание в 5 в (ключ 50, 51 контакт), 3.3В (ключ 12,13) и универсальный (ключ в 12, 13, 50, 51 контактах). 32-битный слот имеет по 62 контакта с каждой стороны, 64-битный – 94. Данная шина позволяет подключить до четырех устройств одновременно, то есть может иметь до четырех разъемов. Для использования большего количества подключаемых устройств применяется специальная микросхема - мост шины, для соединения двух шин. Для устройств промышленного использования имеется стандарт Compact PCI с 8 разъемами.

Пока разрабатывалась шина PCI, развивались и другие отрасли. Возросла тактовая частота внутренней шины до 100, 150 и выше Мгц, увеличилось число линий передачи данных до 64 и продолжает увеличиваться, однако тип шины PCI остался 32-разрядный, но в дальнейшем шина PCI также будет развиваться.

Шина AGP (Accelerated Graphics Port - ускоренный графический порт) позволяет использовать конвейеризацию обращений, то есть посылать данные в виде непрерывных пакетов. В шине PCI посылается предыдущее данное и адрес для следующего данного, после чего происходят временные задержки, а в шине AGP посылаются несколько адресов и несколько данных один за другим, что уменьшает задержки. Имеется возможность постановки в очередь до 256 запросов и поддерживать две очереди для операций чтения/записи с высоким и низким приоритетом. Сдвоенная передача, то есть передача за один такт двух данных вместо одного, позволяет иметь пропускную способность при частоте 66 Мгц до 528 Мбайт/сек. Позволяет работать на частоте до 100 Мгц и выше с более высокой пропускной способностью. Учетверенная передача позволяет передавать до 1 056 Мбайт/сек.

Для шины AGP существует несколько стандартов: AGP 1Х, 2Х, 4Х, Pro и 8Х. Большинство карт работает со стандартом 4Х и 8Х. В оперативной памяти хранятся не только части изображения, но и графические текстуры. Чтобы видеосистема могла обращаться только к тем областям памяти, которые ее касаются, используется специальная таблица GART (Graphics Address Remapping Table – графическая таблица переадресации адресов), которая определяет эти области памяти.

SATA (Serial ATA) является развитием интерфейса IDE. Ее особенностью является не параллельная передача данных, а последовательная, что хотя и медленнее, но позволяет использовать более высокие частоты без необходимости синхронизации сигнала. Первый стандарт SATA 1.x мог работать на частоте 1.5 ГГц с пропускной способностью 1.2 Гбит/сек (потери за счет передачи большого количества служебной информации). Стандарт 2.х работает на частоте 3 ГГц с пропускной способностью до 2.4 Гбит/сек и стандарт 3.0 на частоте 6.0 Гбит/сек, с пропускной способностью 4.8 Гбит/сек.

Для подключения устройств внутри системного блока, они подключаются к информационному разъему с 7 контактами SATA на материнской плате и 15-разъемным кабелем питания к блоку питания.

eSATA (External SATA – внешний SATA) предназначен для подключения устройств в режиме горячей замены, то есть, при включенном компьютере. Для того, чтобы можно было это сделать в Windows XP нужно установить драйвер AHCI. Был создан в 2004 году. Имеет разъем, аналогичный SATA, но добавлено экранирование разъема. Поэтому не совместим с разъемом SATA, так как электрически совместимы, а физически нет. Длина кабеля увеличена до 2 метров (1 метр у SATA).

Существует совмещенный разъем eSATA+USB = Power eSATA, который имеет не только информационные линии, но и линии питания.

PCI-E (или PCI Express или PCI-E) использует связь между устройствами типа звезда, позволяет горячую замены устройств. Существует несколько вариантов х1, х2, х4, х8, х12, х16, х32, которые имеют разные разъемы. Чем меньше число, тем меньше контактов и меньше длина разъема. Устройства, которые предназначены для разъема х8 можно подключать в разъемы с числом большим, в данном случае, х12, х16, х32. Это правило применяется для других видов.

Шина USB (Universal Serial Bus - универсальная серийная шина) предназначена для подключения периферийных устройств (например, клавиатуры, мыши, джойстика, принтера и других). Ее миссия – подключение различных устройств к работающему компьютеру, например, тостеров, клавиатуры, микроволновой печи, светодиодных светильников, вентиляторов и пр., без необходимости устанавливать переключатели, перемычки, использовать для этого матобеспечение (драйверы) и пр.

Первый стандарт 1.0 имеет режим с низкой пропускной способностью в 1.5 Мбит/сек (Low speed), с высокой пропускной способностью (Full-speed) до 12 Мбит/сек.

В версии 1.1 были исправлены имеющиеся ошибки.

В стандарте 2.0 появился новый режим (Hi-speed) c пропускной способностью 25480 Мбит/сек.

Она может использовать концентратор, к которому можно подключить до 127 устройств, поддерживает технологию Plug&Play. При этом шина автоматически присваивает номер для устройств, с которым оно работает. По этим проводам, помимо пересылки данных, передается и электроэнергия, но в небольшом количестве.

Шина PCMCIA используется в ноутбуках и имеет возможность передавать данные по 16 разрядам с адресацией до 64 Мегабайт, с частотой шины 33 мегагерц. Данная шина позволяет подключать разные устройства - жесткие диски, модемы, расширители памяти и др. Многие адаптеры выпускаются по технологии РnР и имеют возможность подключать устройства, не выключая компьютер. Все устройства, подключаемые к данному разъему, имеют пониженное энергопотребление. Шина имеет большие перспективы в будущем и будет устанавливаться и в настольных компьютерах.

IEEE 1394 – разработана Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers) на основе шины компании Apple – FireWire в 1995 году, где номер 1394 обозначает порядковый номер шины, которая разработана данной организацией. Шина позволяет подключить до 16 устройств к одному узлу, при этом каждому устройству присваивается номер, который имеет размерность 16 бит, то есть всего можно адресовать более 64 000 устройств. К каждой шине подключается до 63 устройств, при этом каждому узлу присваивается номер, состоящий из 6 бит. Между собой можно соединить 1023 шины при помощи мостов, каждая из которых имеет разрядность 10 бит, в шине возможна «горячая замена». Каждое новое устройство может быть подключено к любому свободному порту, на одном аппарате их бывает от одного до трех, но возможно - до 27. Единственное исключение заключается в запрете организации петель устройств, так как шина поддерживает древовидную структуру.

7. Внешнее запоминающее устройство – накопитель на жестком магнитном диске. Понятие кластера. Логическая структура жесткого диска.

HDD (Hard Disk Drive - устройство управления жестких дисков), или винчестер, имеет также название накопитель для жестких дисков, просто жесткие диски, дисководы жестких дисков (на практике - винт), HMDD (Hard Magmetic Disk Drive) и предназначен для хранения основной информации пользователя. Первый жесткий диск имел 30 цилиндров и 30 секторов на цилиндре, поэтому назывался 30/30, по аналогии с автоматической винтовкой, почему и получил прозвище «винчестер», по названию патрона "30-30 Wincheste" которое прижилось до наших дней. Основным отличием жестких дисков от оперативной памяти является то, что при выключении компьютера данные сохраняются, а не уничтожаются, как в оперативной памяти.

Физически жесткие диски устроены аналогично гибким дискам, за исключением того, что в накопителе может находиться не одна пластина, а несколько, расположенных одна под другой, при этом у каждой пластины сверху и снизу находится по магнитной головке. Кроме того, для хранения информации используется не гибкие, а жесткие диски из аллюминия либо стеклянные, покрытые слоем магнитного материала (ферромагнетика из сплавов железа, марганца и др). Как и в гибких дисководах, головки жестко связаны между собой и расположены одна под другой. Для перемещения одной головки перемещаются и другие, поэтому совокупность головок называется блоком головок. При их фиксированном расположении каждая головка может считывать информацию только с одной дорожки (дорожка - это область в виде узкого кольца на диске, которая считывается головкой без ее смещения), эти дорожки в совокупности всех дисков называются цилиндром. Например, цилиндр 0 содержит все нулевые дорожки дисков, цилиндр 1 содержит первые дорожки и так далее. Обычно в портативных жестких дисках находится один диск, а в стационарных несколько. Каждая дорожка обычно разбита на секторы объемом 512 (в будущем 4096) байт.