Информационные системы и их организация

Содержание

 

Введение                                                                                                3

1 Системы памяти                                                                               4

2 Внешняя память                                                                               6

3 Организация  систем памяти                                                           9

4 Организация  систем адресации и команд                                   15

Список реферируемой литературы                                                 20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

В настоящее время основой  развития всех сфер жизни общества – материального производства, образования, науки и культуры – стало получение информации, её обработка и эффективное использование.

Доминирование компьютерных технологий стало возможным благодаря  совершенствованию технологий создания и эксплуатации электронных вычислительных средств (ЭВС), построенных на основе высокопроизводительных ЭВМ. Применение компьютеров в самых различных сферах человеческой деятельности обуславливает необходимость изучения основ построения средств вычислительной техники (ВТ) специалистами, работающими в промышленности, научных и коммерческих организациях и структурах.

Важнейшим свойством ЭВМ  является возможность хранения информации, которая осуществляется с помощью систем памяти ЭВМ. Хранение информации способствует ее накоплению, дальнейшей обработке и эффективному использованию.

В состав памяти ЭВМ входит достаточно обширный набор запоминающих устройств, различающихся не только своими функциональными характеристиками, но и принципами организации, используемыми технологиями и другими особенностями. В настоящее время основой развития всех сфер жизни общества – материального производства, образования, науки и культуры – стало получение информации, её обработка и эффективное использование.

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Системы памяти

 

Системы памяти современных  ЭВМ представляют собой совокупность аппаратных средств, предназначенных  для хранения используемой в ЭВМ  информации. К этой информации относятся обрабатываемые данные, прикладные программы, системное программное обеспечение и служебная информация различного назначения. К системе памяти можно отнести и программные средства, организующие управление ее работой в целом, а также драйверы различных видов запоминающих устройств.

Память представляет собой  одну из важнейших подсистем ЭВМ, во многом определяющую их производительность. Тем не менее в течение всей истории развития вычислительных машин она традиционно считается их "узким местом".

Ключевым принципом построения памяти ЭВМ является ее иерархическая организация (принцип, сформулированный еще Джоном фон Нейманом), которая предполагает использование в системе памяти компьютера запоминающих устройств (ЗУ) с различными характеристиками. Причем с развитием технологий, появлением новых видов ЗУ и совершенствованием структурной организации ЭВМ количество уровней в иерархии памяти ЭВМ не только не уменьшается, но даже увеличивается. Например, сверхоперативные ЗУ больших ЭВМ 50-60-х годов заменяет двухуровневая кэш-память персональных ЭВМ 90-х годов.

Память компьютера построена  из двоичных запоминающих элементов  — битов, объединённых в группы по 8 битов, которые называются байтами. Все байты пронумерованы. Номер  байта называется его адресом. Байты  могут объединяться в ячейки, которые также называют словами. Для каждого компьютера характерна длина слова — два, четыре или восемь байтов. Это не исключает использование ячеек другой длины (например, полуслово, двойное слово).

Как правило в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако, допускаются переменные форматы представления информации.

Широко используются и  более крупные производные еденицы объёма памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт, а также, в последнее время, Теребайт и Петабайт.

Современные компьютеры имеют  много разнообразных запомниающих устройств, которые отличаются между собой по назначению, временным характеристикам, объёму хранимой информации и стоимости хранения одинакового объёма информации.

Различают два вида памяти: внутреннюю и внешнюю.

В состав внутренней памяти входит оперативная память, кэш-память и постоянная память.

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory - память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устройство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Оперативная память представляет собой множество ячеек, причём, каждая имеет свой уникальный адрес. Каждая ячейка памяти имеет объём 1 байт.

Оперативная память обладает двумя свойствами: дискретность и  адресуемость.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и програм, так как когда машина выключается, всё, что находилось в ОЗУ пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой — это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Важная характеристика модулей  памяти — время доступа к данным (нс).

В состав внутренней памяти входит постоянная память.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory - память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержимое памяти специальным образом "зашивается" в устройство при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

BIOS (Basic Input/Output System - базовая система ввода-вывода) — совокупность программы предназначенных для:

автоматического тестирования устройств после включения питания  компьютера;

загрузки операционной системы  в оперативную память.

Разновидность постоянного ЗУ — CMOS RAM.

CMOS RAM — это память с невысоким быстродействием и минимальным энергопотреблением от батарейки.

 Используется для хранения  информации о конфигурации и  составе оборудования компьютера, а также о режимах его работы.

Содержимое CMOS изменяется специальной программой Setup, находящейся в BIOS (англ. Setup – устанавливать).

 

2 Внешняя память

 

Внешняя память (ВЗУ) предназначена  для длительного хранения программ и данных и целостность её содержимого не зависит от того, включён или выключен компьютер. В отличии от оперативной памяти, внешняя память не имеет прямой связи с процессором. Информация от ВЗУ к процессору и наоборот циркулирует примерно по следующей цепочке:

В состав внешней памяти компьютера входят:

накопители на жёстких  магнитных дисках;

накопители на компакт-дисках;

накопители на магнитооптических копакт-дисках;

накопители на магнитной  ленте и др.

Способ записи двоичной информации на магнитной среде называется магнитным  кодированием. Он заключается в том, что магнитные домены выстраиваются вдоль дорожек в направлении приложенного магнитного поля своими северными и южными полюсами. Обычно устанавливают однозначное соответсвтие между двоичной информацией и ориентацией магнитных дисков.

Информация записывается по концетрическим дорожкам (трекам), которые делятся на секторы. Сектор хранит минимальную порцию информации, которая может быть записана на диск или считана.

Жёсткие магнитные диски

Накопитель на жёстких  магнитных дисках (англ. HDD - Hard Drive Disk) или винчестер — это наиболее массовое запомниающее устройство большой ёмкости, в котором носителями информации являются круглые аллюминевые пластины - плоттеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для хранения информации — программ и данных.

 Рабочие поверхности плоттеров разделены на кольцевые концетрированные дорожки, а дорожки — на секторы. Головки считывания-записи вместе с их несущей конструкцией и дисками заключены в герметически закрытый корпус, называемый модулем данных. При установке модуля данных на дисковод он автоматически соединяется с системой, подкачивающей охлаждённый воздух. Поверхность плоттера имеет магнитное покрытие толщиной лишь в 1,1 мкм, а также слой смазки для предохранения головке при опускании и подъёме на ходу. При вращении плоттера над ним образуется воздушный слой, который обеспечивает воздушную подушку для зависания головки на высоте 0,5 мкм над поверхностью диска.

Винчестер связан с процессором  через контроллёр жёсткого диска. Все современные накопители снабжаются встроенным кэшем, который существенно повышает их производительность.

Накопители на компакт-дисках и DVD

СD-ROM состоит из прозрачной полимерной основы диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм. Одна сторона покрыта тонким аллюминиевым слоем защищённым от повреждения слоем лака. Двоичная информация представляется последовательным чередованием углублений (pits - ямки) и основного слоя (land - земля)

На одном дюйме (2,54 см) по радиусу диска размещается 16 тысяч  дорожек с информацией.

Ёмкость CD до 780 Мбайт.

Достоинства CD-ROM:

при малых физических размерах CD-ROM обладают высокой информационной ёмкостью, что позволяето использовать их в справочных системах и в учебных комплексах с богатым иллюстративным материалом

считываение информации с CD происходит с высокой скоростью, сравнимой со скоростью работы винчестера

CD просты и удобны в работе, практически не изнашиваются

на CD-ROM невозмножно случайно стереть информацию

стоимость хранения данных (в расчёте на 1 МБайт) низкая

В отличии от магнитных дисков, компакт-диски имеют не множество кольцевых, а одну — спиральную, как у грампластинок. В связи с этим угловая скорость вращения диска не постоянна. Она уменьшается в процессе продвижения читающей головки к центру диска.

Для работы с CD-ROM нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM (CD-ROM Drive), в котором диски сменяются как в обычном проигрывателе.

Участки CD, на которых записаны символы "0" и "1" отличаются коэфициентом отражения лазерного луча, посылаемого накопителем CD-ROM. Эти отличия улавливаются фотоэлементом и общий сигнал преобразуется в соответствующую последовательность нулей и едениц.

Со временем на смену CD-ROM пришли цицфровые видеодиски — DVD. Эти диски имеют тот же размер, что и обычные CD, но вмещают 4,7 Гбайта данных. На таких дисках выпускаются видеофильмы отличного качества, мультимедийные игры и многое другое.

 

3 Организация  систем памяти

 

Системная память. Обычно под системной понимают лишь оперативную память. На самом деле работоспособность всей компьютерной системы зависит от характеристик подсистемы памяти в целом. Подсистема памяти охватывает:

         оперативную память как таковую;

кэш-память первого уровня, расположенную в ядре МП;

          кэш-память второго уровня (в некоторых конфигурациях она выступает как кэш третьего уровня), размещаемую на СП, на картридже МП или в его ядре;

          контроллер памяти;

шины данных и команд, объединяющие все элементы подсистемы в единое целое.

Системная память подразделяется на два типа — с динамической и статической выборкой. В первом случае значение бита информации в ячейке определяется наличием или отсутствием заряда на миниатюрном конденсаторе, управляемом одним—двумя транзисторами. В статической памяти применены специальные элементы — триггеры, реализованные на 4-6 транзисторах. Естественно, что из-за необходимости ожидания накопления (стекания) заряда на конденсаторе быстродействие DRAM ниже. Однако благодаря большему числу транзисторов на ячейку, память SRAM существенно дороже. Обычно модули DRAМ применяют в оперативной и видеопамяти, а модули SRAМ — в качестве быстрых буферных элементов в процессорах, на СП, в контроллерах дисков, CD-RОМ и пр.

Статическая память. Ячейкой  в статической памяти является триггер  — логический элемент с двумя  устойчивыми достояниями, в любом  из которых он сохраняется до тех  пор, пока подается питание. Время срабатывания триггера составляет в современных микросхемах единицы наносекунд. Однако плотность компоновки ячеек SRAM существенно ниже, чем в микросхемах DRAM, а стоимость производства выше, поэтому статическая память применяется лишь в наиболее ответственных компонентах.

В современных системах обычно используется конвейерный режим  с пакетным способом передачи данных (Pipelined Burst Cache), организованный на микросхемах статической памяти с синхронным доступом.