Лекции по "Информатике"

1. Регистровая память (сверхоперативная): РОН процессора (регистры общего назначения).
2. Кэш - память (cashe – склад, тайник). В современных ЭВМ обычно имеется   2-3 ЗУ этого типа: кэш-память 1-го уровня (L1) располагается внутри процессора, 2-го уровня (L2) – на материнской плате. Кэш-память недоступна для программиста (автоматически используется компьютером). Через кэш-память осуществляется обмен данными между процессором, ОП и ВЗУ так, чтобы до минимума сократить время непроизводительного простоя процессора. Ускорение выполнения операций достигается за счет запоминания в кэш-памяти на некоторое время данных, которые будут использоваться процессором в ближайшее время.

Координацию потока данных осуществляет кэш-контроллер, который сообщает процессору, имеются ли еще эти данные в кэш-памяти.

Принцип кэширования применяется как при записи, так и при считывании данных из ВЗУ.

Использование кэш-памяти дает значительный выигрыш во время выполнения программы, но затраты на переписывание программы из ОП в кэш могут оказаться гораздо больше этого выигрыша в быстродействии. Кроме того кэш стоит очень дорого и ее емкость обычно небольшая.

3. Оперативная память.

ОП используется для временного хранения данных и программ и допускает изменение своего содержимого в ходе выполнения процессором вычислительных операций. Выполняемая в данный момент программа (активная) обычно располагается в ОЗУ (лишь иногда в ПЗУ).

ОЗУ – энергозависимая память; с произвольным доступом.

4. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).

ПЗУ - энергонезависимое ЗУ для хранения неизменяющихся данных (тест-мониторные программы, проверяющие работоспособность компьютера в момент включения; драйверы устройств (клавиатуры) и пр.) Из ПЗУ информацию можно только считывать, выборка информации осуществляется в любом порядке, т.е. к любой ячейке ПЗУ существует произвольный доступ.

ППЗУ (FLASH-память)- разновидность ПЗУ, которое можно при необходимости неоднократно перепрограммировать, улучшая характеристики ЭВМ.

ОЗУ и ПЗУ образуют так называемую основную память.

 

5. Память CMOS – (Complement Metal Oxide Semiconductor – комплиментарные пары металл-оксид-полупроводник - технология изготовления, а не функциональное назначение) служит для хранения системных установок - конфигурации (текущее время, дата, выбранный системный диск, т.е. хранятся параметры компьютера, Setup). Энергозависима: для ее непрерывной работы на материнской плате установлен аккумулятор или батарейка.

6. Видеопамять – размещается на видеокарте; используется в качестве буфера для хранения кадров динамического изображения.

7. Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения информации: накопители на магнитной ленте (магнитофоны, стримеры); накопители на жестких дисках (винчестеры); накопители на гибких дисках (дисководы); проигрыватели оптических дисков (CD-ROM).

Классификация запоминающих устройств(ЗУ).

По способу организации доступа к информации:

1. ЗУ с последовательным доступом: блоки в памяти считываются в том порядке, в котором они физически записаны, пока не будет найден нужный элемент (магнитная лента);
2. ЗУ с прямым (произвольным) доступом: доступ к элементу осуществляется по его физическому адресу (магнитный диск).

По времени хранения информации:

1. ПЗУ - энергонезависимое ЗУ для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Из ПЗУ информацию можно только считывать, а выборка осуществляется в любом порядке, т.е. к любой ячейке ПЗУ существует произвольный доступ;
2. ППЗУ - разновидность ПЗУ, которое можно неоднократно перепрограммировать;
3. ОЗУ - в нем хранятся программные команды, данные и результаты вычислений. Энергозависимо. Требует регенерации (освежение содержимого памяти).
4. ВЗУ - для хранения информации, не участвующей непосредственно в работе программы.

По быстродействию (информационным характеристикам):

Различные виды ЗУ значительно отличаются по времени выборки из отдельных ячеек (быстродействию); объему информации, который может храниться в данном ЗУ (емкости); удельной стоимости хранения одинакового объема информации.

 Периферийные устройства (ПУ):

- устройства внешней памяти, предназначенные для долговременного хранения данных большого объема и программ (ВЗУ);

- коммуникационные устройства, предназначенные для связи ЭВМ с внешним миром (с пользователем, другими ЭВМ и т.д.). Устройства ввода информации: клавиатура, мышь, джойстик, сенсорные экраны, световое перо, цифровая видеокамера, микрофон и др. Устройства вывода информации: дисплей, принтер, плоттер, акустические колонки и др. Модем выполняет функции устройств ввода и вывода информации.

Обмен данными с внешними устройствами осуществляется через порты ввода-вывода.

Порты – это абстрактное понятие, которое можно трактовать как ячейки, через которые можно записать информацию в ПУ или прочитать из ПУ. По аналогии с ячейками памяти порты имеют уникальные номера – адреса портов ввода-вывода.

Система шин.

Предназначена для объединения функциональных блоков ЭВМ.

Система шин представляет собой совокупность трех шин и называется системной шиной.

К системной шине относятся:

• шина данных - по ней осуществляется обмен информацией (данными и командами) между блоками ЭВМ;
• шина адреса - используется для передачи адресов памяти или адресов портов ввода-вывода, к которым происходит обращение;
• шина управления – используется для передачи управляющих сигналов.

 Шина состоит из отдельных проводников сигналов – линий.

Ширина шины – количество линий, входящих в состав шины. Ширина шины адреса определяет размер адресного пространства ЭВМ (количество адресуемых ячеек памяти = 2ширина шины).

232– число ячеек памяти которые можно адресовать. Адрес ячейки, которую можно адресовать 2(32)-1, т.к. счет ячеек начинается с нуля. 264-х разрядные версии ОС Vista, XP Windows.

 

Функционирование ЭВМ с шинной структурой можно описать следующим обобщенным алгоритмом (рис.2).

1. Инициализация. После включения ЭВМ или операции сброса в память ЭВМ помещается программа, называемая первичным загрузчиком. Основное назначение первичного загрузчика -  загрузить в память с устройства внешней памяти операционную систему.

Первичный загрузчик размещается в ПЗУ или автоматически считывается с некоторого устройства внешней памяти. Программному счетчику присваивается начальное значение, равное адресу первой команды первичного загрузчика.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Обобщенный алгоритм функционирования фон-Неймановской ЭВМ

2. Выборка команды. Из процессора на шину адреса выдается адрес очередной команды (в качестве адреса ячейки памяти используется содержимое программного счетчика).

3. Увеличение программного счетчика. Считанная по этому адресу команда поступает по шине данных в процессор и помещается в регистр команды.

Устройство управления приступает к интерпретации прочитанной команды. По полю кода операции команды УУ   определяет ее длину и, если это необходимо, организует дополнительные операции считывания, пока вся команда полностью не будет прочитана процессором.

Вычисленная длина команды прибавляется к исходному содержимому программного счетчика, и когда команда полностью прочитана, программный счетчик будет хранить адрес следующей команды.

4. Дешифровка и выполнение команды. По адресным полям команды устройство управления определяет, имеет ли команда операнды в памяти. Если это так, то на основе указанных в адресных полях режимов адресации вычисляются адреса операндов и производятся операции чтения памяти для считывания операндов.

5. Выполнение команды. Устройство управления и арифметико-логическое устройство выполняют операцию, указанную в поле кода операции команды.

Во флаговом регистре процессора запоминаются признаки результата операции (равно нулю или нет, знак результата, наличие переполнения и т.д.).

Если это необходимо, устройство управления выполняет операцию записи для того, чтобы поместить результат выполнения команды в память.

7. Если последняя команда не была командой ОСТАНОВИТЬ ПРОЦЕССОР, то описанная последовательность действий повторяется, начиная с шага 1.

Описанная последовательность действий центрального процессора с шага 1 до шага 6 называется циклом процессора.

Функционирование любой фон-неймановской ЭВМ описывается алгоритмом, близким к приведенному выше, хотя в различных конкретных ЭВМ реализация этого алгоритма может несколько отличаться: по-разному может осуществляться синхронизация процессов управления; процессор может считывать из памяти не одну команду, а сразу несколько и хранить их в специальной очереди команд; часто используемые программой команды и данные могут храниться не в основной памяти ЭВМ, а в быстродействующей кэш-памяти (буферной памяти) и т.д.

Выполнение основной программы может приостанавливаться для обслуживания некоторого запроса – такой режим работы называется прерыванием. Запросы на прерывание могут возникать из-за сбоев в аппаратуре, переполнения разрядной сетки, деления на ноль, при выводе информации на внешнее устройство или вводе информации с внешнего устройства (напр., при нажатии клавиши на клавиатуре возникает прерывание, обработка которого сводится к записи кода нажатой клавиши в буфер клавиатуры). Обслуживание прерываний осуществляется специальными программами ОС – программами обработки прерываний. По завершению обслуживания прерывания процессор возвращается к выполнению временно отложенной программы.

Структура компьютера основана на общих логических принципах, позволяющих выделить следующие главные устройства:

• память (запоминающее устройство, ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;
• процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);
• устройство ввода;
• устройство вывода.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

 

 

 

                   

 

Рис. 3. Магистрально-модульный принцип организация компьютера

 

Все функциональные блоки здесь связаны между собой общей шиной, называемой также системной магистралью.

Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса, шину данных и шину управления.

Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами. Они связывает периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования.

В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами.

Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды.

Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например:

• сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции;
• счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды; служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти;
• регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов.

 

Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды.

А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды “стоп”.

Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

 

Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) — заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций.