Архитектура компьютера

    В составе компьютера имеется несколько  уровней, разновидностей памяти. Важнейшими для работы компьютера видами памяти являются оперативная память (ОП) и внешняя память (ВП).

    Оперативная память - это уровень памяти компьютера подобен кратковременной памяти человека.

    Оперативной памятью называется устройство компьютера, предназначенное для хранения выполняющихся в текущий момент времени программ, а также всех данных, необходимых для их выполнения.

    Процессор компьютера имеет непосредственный доступ ко всей информации, которая находится в оперативной памяти, и именно поэтому программы, находящиеся в оперативной памяти, могут быть выполнены процессором, а данные, находящиеся в оперативной памяти, могут быть по этим программам обработаны.

    Из  определения следует, что в оперативной памяти на стадии выполнения могут одновременно находиться несколько программ. Кроме того, в оперативной памяти могут находиться как обрабатываемые, так и уже обработанные программой данные.

    Можно считать, что оперативная память представляет собой последовательность пронумерованных байтов. Каждый байт имеет свой собственный номер, который по аналогии с номерами домов на улице принято называть адресом. Содержимое любого байта памяти может обрабатываться независимым от остальных байтов образом. Указав адрес байта, можно прочитать код, который в нем записан, или занести, записать в этот байт какой-либо другой код. Поэтому оперативную память называют ещё прямоадресуемой памятью, памятью с прямым доступом и обозначают RAM (Random Access Memory – память произвольного доступа). Для оперативной памяти используются ещё и некоторые другие названия и обозначения: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), основная оперативная память (ООП), просто основная память (ОП).

    Максимально возможный объём оперативной памяти, который иногда называют адресным пространством, и объём памяти, фактически присутствующий в составе машины, являются важнейшими характеристиками данной модели в целом и конкретного экземпляра компьютера. Адресное пространство является величиной постоянной для данной модели, в то время как фактический объём оперативной памяти может у разных экземпляров быть разным, но он не может быть больше, чем адресное пространство для данной модели. У последних на сегодняшний день моделей персональных компьютеров семейства IBM PC максимально возможный объём оперативной памяти равен 64 Гбайт.

    Отличительными  особенностями оперативной памяти являются ее энергозависимость и относительно высокая стоимость.

    Энергозависимость означает, что при отключении электропитания компьютера вся информация, которая хранится в оперативной памяти, безврозвратно теряется.

    Оперативная память кроме объёма характеризируется ещё несколькими важными параметрами: типом микросхемы, временем доступа, скоростью обмена (или производительностью) и удельной стоимостью. Тип микросхем памяти в основном определяет ее остальные характеристики – время доступа и скорость обмена, которые, в свою очередь, оказывают существенное влияние на общее быстродействие компьютера. Время доступа памяти представляет собой задержку начала получения данных из памяти относительно появления запроса на них и измеряется в секундах. Скорость обмена равна объёму передаваемой памятью данных в единицу времени и измеряется в мегабайтах в секунду. Чем меньше время доступа и больше скорость обмена у данного типа оперативной памяти, тем выше быстродействие машины и тем лучше рассматриваемый тип памяти. Удельная стоимость определяется как стоимость хранения одного байта (килобайта, мегабайта) и измеряется в рублях (евро, долларах) на 1 Mбайт.

    В настоящее время оперативная  память компьютеров (RAM) реализуется на микросхемах так называемой динамической памяти – DRAM (Dynamic Randc Access Memory – динамическая память произвольного доступа) — относительно более дешевом и более медленном типе (с меньшей скоростью обмена и большим временем доступа) микросхем памяти.

    Конструктивно оперативная память выполняется  в виде так называемых модулей памяти – плат, на которых размещаются микросхемы. Плата представляет собой выполненную из специального материала обычно прямоугольную пластинку стандартных размеров, на которой размещаются разъемы для крепления микросхем, а также выполняются монтаж электрических схем питания микросхем и их подсоединение к остальным компонентам компьютера. Существуют модули двух конструкций: SIMM (Single In Line Memory Modules – однорядные модули памяти) и DIMM (Dual In Line Memory Modules – двухрядные модули памяти). В соответствии с названием в модулях SIMM микросхемы размещёны в один ряд, а в модулях DIMM – в два ряда. Фактический объём оперативной памяти набирается из нескольких модулей того или иного типа. Одновременное использование разнотипных модулей памяти в современных компьютерах не предусмотрено. Модули памяти типа SIMM считаются устаревшими, они постепенно выходят из употребления.

    c. Процессор

    Ещё одна основная функция компьютера – обработка данных, осуществляемая по заранее заданной человеком программе. Эта функция выполняется устройством, которое называется процессор (process - обрабатывать), иногда центральный процессор CPU (Central Processing - центральное обрабатывающее устройство), а в персональных компьютерах - ещё и микропроцессор.

    Процессором называется основное устройство компьютера, которое обеспечивает задаваемую программой обработку данных.

    Физически микропроцессор представляет собой  созданный по специальной технологии кристалл кремния общей площадью 1 – 3 см². Этот кристалл содержит огромное количество логических элементов, эквивалентных транзисторам. Например, процессор типа Pentium 4 содержит 42 миллиона таких элементов. Их размер очень мал. В настоящее время у большинства микропроцессоров он равен 0,13 – 0,18 мкм, и уже имеются 0,09-микронные микропроцессоры.

    Основная  функция процессора складывается из двух компонентов – собственно действия по обработке данных и управления последовательностью выполнения таких действий. Процессор вычислительной машины «умеет» выполнять определенный набор простейших, элементарных действий по обработке информации. Весь набор действий, которые могут быть выполнены процессором, называется системой команд данного процессора.

    Процессоры  некоторых современных персональных компьютеров обладают системой команд, содержащей свыше 1000 различных команд

    Указание  процессору на выполнение одного из элементарных действий называется машинной командой. Конкретная последовательность машинных команд, которая обеспечивает необходимую обработку информации, образует программу, записанную на уровне машинного языка. Машинные команды, а, следовательно, и любая их последовательность, образующая ту или иную программу, так же как и любая другая информация в компьютерах, определенным образом кодируются последовательностями двоичных цифр. Конкретные последовательности таких кодов образуют программы в их «естественном» машинном виде. Это именно тот способ записи программ, который «понимается» процессором. Программы, представленные именно в таком виде, выполняются процессором компьютера. Все остальные способы записи программ являются промежуточными, или вспомогательными.

    Для ускорения выполнения машинных команд в процессоре предусмотрен ещё один вид памяти – регистровый. Регистр – это устройство для кратковременного хранения информации в процессе ее обработки. Регистры входят в состав процессора, а не образуют отдельное устройство. Регистр может хранить один или несколько символов, число, код машинной команды, какой-нибудь адрес оперативной памяти. Регистры представляют собой самый быстродействующий вид памяти, но процессор имеет всего несколько десятков регистров.

    Схема выполнения программы процессором  выглядит следующим образом. Процессор по очереди (начиная с первой) выбирает (читает) из оперативной памяти машинные команды, из которых состоит программа.

    Прочитав  очередную команду, процессор по её коду определяет, какое именно действие должно быть выполнено и где взять данные, которые должны быть обработаны (над которыми должно быть выполнено заданное действие). Затем указанные данные считываются из оперативной или регистровой памяти и над ними выполняется нужное действие. Далее процессор, если это определено в команде, записывает результат обработки назад в оперативную или регистровую память. После чего цикл выполнения команды повторяется – вновь считывание очередной команды из оперативной памяти, её расшифровка, выполнение действий, запись результата и т. д. Этот цикл работы процессора выполняется до обнаружения в программе специальной команды, предписывающей процессору прекращение действий по выполнению данной программы.

    Процессоры  вычислительных машин характеризуются рядом параметров. Основными считаются тактовая частота и длина машинного слова. Кратко рассмотрим эти характеристики. Компьютер состоит из различных устройств, и для выполнения любой программы эти устройства должны работать согласованно. В компьютере роль «дирижёра» играет генератор тактовых импульсов, который с определенной периодичностью вырабатывает специальные сигналы – тактовые импульсы, поступающие на все остальные устройства компьютера и таким образом синхронизирующие их работу.

    Количество тактовых импульсов, вырабатываемых тактовым генератором в секунду, называется тактовой частотой компьютера.

    Тактовая  частота различных процессов  может изменяться  в широких  пределах. Процессор выполняет каждую машинную команду программы за определённое число тактов. Таким образом, чем выше тактовая частота, тем быстрее работает компьютер. В настоящее время персональные компьютеры работают с тактовыми частотами от стоен мегагерц до нескольких гигогерц.

    Вычислительная мощность компьютера определяется  также количеством байтов, которые могут быть одновременно обработаны процессором. Чем больше это количество, тем больше информации в единицу времени может быть обработано.

    Машинным  словом называется наибольшая группа байтов, которая может быть обработана процессором за один машинный такт. Количество байт в машинном слове называется длиной машинного слова.

    Разные модели машин имеют машинные слова, содержащие различное число байтов. В настоящее время типичные длины машинных слов 4 и 8 байтов. Длина машинного слова довольно часто выступает в качестве основной характеристики архитектуры компьютера. Так, если машинное слово состоит из 1 байта, то есть из 8 битов, то говорят: «восьмибитная архитектура», «восьмибитный компьютер» если из 2 байтов, то есть из 16 битов, то говорят: «шестнадцатибитная архитектура», «шестнадцатибитный компьютер» и т.д.

    d. Накопители на магнитных и оптических дисках

    Гибкий  магнитный диск (ГМД или дискета) представляет собой гибкую лавсановую пластинку, диск диаметром 3,5 дюйма, что примерно равно 9 см. Обычно такие диски называют трехдюймовыми. Пластинка покрыта с одной или двух сторон специальным веществом, хорошо сохраняющим состояние намагниченности (примерно таким же, какое нанесено на ленты бытовых магнитофонов). Стороны диска, на которые нанесено магнитное покрытие, называются рабочими поверхностями. У гибкого диска могут быть одна или две рабочие поверхности. Каждая рабочая поверхность имеет собственный номер.

    Для предохранения магнитного покрытия рабочих поверхностей диска от случайного разрушения пластина упаковывается в жесткий пластиковый защитный чехол, который практически полностью закрывает рабочие поверхности диска. У нижнего торца защитного чехла диска имеется переключатель защиты от записи. В нижнем положении переключателя включается защита диска от записи. Это означает, что запись новой информации на диск невозможна. Кроме того, невозможно уничтожить (стереть) уже имеющуюся на диске информацию. В верхнем положении переключателя защита от записи выключена, могут производиться как запись, так и стирание информации. Защита от записи обычно включается для того, чтобы предотвратить случайное уничтожение хранящейся на диске важной информации, а также для защиты от компьютерных вирусов.

    Для работы с гибкими дисками в компьютере предусмотрены устройства, которые называются дисководами гибких магнитных дисков, или FDD (floppy disk drive). На передней панели дисковода имеется щель, в которую вставляется дискета. При этом отодвигается подвижная металлическая шторка, закрывающая в нерабочем состоянии щель доступа головок чтения/записи информации к рабочим поверхностям дискеты (см. рис. 2.3). Головки чтения/записи могут перемещаться вдоль радиуса диска от его внешней границы к центру и назад. Сама пластинка вращается со скоростью порядка 300 об./мин.