Персональные компьютеры

Этот вид компьютеров относится к классу универсальных однопользовательских микроЭВМ и является наиболее распространенным на данный момент. 

Логическая схема ПК как совокупность основных составляющих его элементов показана на рисунке:

Микропроцессор - это электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации. Одна из основных характеристик микропроцессора - тактовая частота. Она указывает скорость выполнения элементарных операций внутри микропроцессора. Измеряется в МГ. Чем больше тактовая частота, тем больше производительность компьютера. В состав микропроцессора, помимо АЛУ и УУ входит и своя небольшая по объему память, выполняющая роль буфера для временного размещения данных.

Контроллеры устройств  - это электронные схемы, управляющие различными устройствами компьютера. Различают виды контроллеров в зависимости от их подключения к соответствующим устройствам:

1. входящие в состав материнской платы - интегрированные;

1. расположенные на отдельных платах контроллеров, которые вставляются в специальные разъемы, называемые слотами, на материнской плате.

Модем (факс-модем) используется для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть. Факс-модем может также получать и отсылать факсимильные документы - факсы.

Блок питания преобразует электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы.

Остальные указанные на схеме устройства будут рассмотрены далее.

Физическая схема ПК (основные устройства) показана на рисунке:

Системный блок содержит корпус и находящиеся в нем блок питания (не показан на рисунке), материнскую (или системную) плату с микропроцессором и внутренней памятью, платы расширения (видеокарту, звуковую карту), различные накопители (жесткий диск, дисководы, приводы компакт-дисков), дополнительные устройства.

Память компьютера

В соответствии с принципом иерархии памяти выделяют внутреннюю и внешнюю память компьютера. Первая используется для временного хранения данных и программ при выполнении последних, а вторая - для долговременного хранения данных и программ.

Внутренняя память

Внутренняя память компьютера предназначена для оперативной обработки данных. Она является более быстрой, чем внешняя память, что соответствует принципу иерархии памяти, выдвинутому в проекте Принстонской машины. Следуя этому принципу, можно выделить уровни иерархии и во внутренней памяти.

Выделяют следующие виды внутренней памяти:

1. оперативная. В нее помещаются программы для выполнения и данные для работы программы, которые используются микропроцессором. Она обладает большим быстродействием и является энергозависимой. Обозначается RAM - Random Access Memory -память с произвольным доступом;

1. кэш-память (от англ. caсhe – тайник). Она служит буфером между RAM и микропроцессором и позволяет увеличить скорость выполнения операций, т.к. является сверхбыстродействующей. В нее помещаются данные, которые процессор получил и будет использовать в ближайшие такты своей работы. Эта память хранит копии наиболее часто используемых участков RAM. При обращении микропроцессора к памяти сначала ищутся данные в кэш-памяти, а затем, если остается необходимость, в оперативной памяти;

1. постоянная память - BIOS (Basic Input-Output System). В нее данные занесены при изготовлении компьютера. Обозначается ROM - Read Only Memory. Хранит:

• программы для проверки оборудования при загрузке операционной системы;

• программы начала загрузки операционной системы;

• программы по выполнению базовых функций по обслуживанию устройств компьютера;

• программу настройки конфигурации компьютера - Setup. Позволяет установить характеристики: типы видеоконтроллера, жестких дисков и дисководов для дискет, режимы работы с RAM, запрос пароля при загрузке и т.д;

1. полупостоянная память - CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor). Хранит параметры конфигурации компьютера. Обладает низким энергопотреблением, потому не изменяется при выключении компьютера, т.к. питается от аккумулятора;

1. видеопамять. Используется для хранения видеоизображения, выводимого на экран. Входит в состав видеоконтроллера.

Внутренняя память дискретна. Элементарной (минимальной) единицей хранения информации является бит. Он может содержать 0₂ или 1₂. Однако компьютер при работе с памятью для размещения или выборки данных из нее оперирует не битами, а байтами и более крупными единицами - словами и двойными словами. В зависимости от класса компьютера слово  - это два или четыре байта памяти.

Для обращения к элементам памяти они снабжаются адресами, начиная с нуля. Максимальный адрес основной памяти определяется функциональными возможностями того или иного компьютера.

Структура основной памяти (за исключением кэш-памяти)  для компьютеров класса IBC PC с указанием начальных адресов отдельных областей представлена в таблице:

       

непосредственно адресуемая память операционной системы MS DOS				расширенная память ХМА
стандартная память СМА (640К)		верхняя память UMA (384К)
область служебных программ и данных операционной системы - CMOS (64K)	область программ и данных пользователя - RAM (576К)	область видеопамяти и служебных программ (256К)	область программы начальной загрузки операционной системы MS DOS и других программ - BIOS (128K)	высокая память - HMA (64K)	остальная память
0                           64К                    640К                896К                                 1024К       1088        МАХ

В силу особенностей операционной системы (ОС) MS DOS непосредственно адресуются только первые 1024К памяти, доступ к остальным адресам осуществляется средствами специальных программ, которые называются драйверами. Их подключение выполняется в файле конфигурации config.sys в предложении device.

При обращении к элементам памяти ОС использует не абсолютный адрес, например, 2245653, а сегментированный.

В простейшем случае для образования сегментированного адреса все адресное пространство делится на блоки – сегменты – размером 16Б, которые нумеруются четырехзначными шестнадцатеричными числами от 0000₁₆ до FFFF₁₆. Тогда внутри сегмента каждый байт как элемент памяти характеризуется смещением – отстоянием в байтах от начала сегмента. В результате каждый абсолютный адрес представляется парой сегмент:смещение. На рисунке представлена схема формирования сегментированных адресов:

Зададимся абсолютным адресом, равным 40Б, и представим его в сегментированном виде: 0002:0008. Здесь 0002 – номер сегмента, 0008 – смещение в сегменте.

Внешняя память

Внешняя память представлена в основном магнитными и оптическими носителями. Магнитные носители делятся на магнитные ленты (стриммеры), которые используются для хранения архивов и нашли неширокое применение, и магнитные диски.

Рассмотрим организацию внешней памяти на примере магнитных дисков.

       Физическая и логическая структура магнитных дисков

Магнитные диски являются элементами устройств чтения-записи информации – дисководов. Сам магнитный диск – это пластиковый (для гибких дисков) или алюминиевый либо керамический (для жестких дисков) круг с магниточувствительным покрытием. В случае жесткого диска таких кругов может быть несколько, и все они в центре посажены на один стержень. Для гибкого диска такой круг один, при помещении в дисковод он фиксируется в центре. Во время работы диск раскручивается. Схема дисковода показана на рисунке:

                                               

Головки чтения-записи могут синхронно перемещаться в горизонтальном и вертикальном направлении (это показано стрелками), что позволяет им приблизиться к любой точке поверхности диска. Каждая точка поверхности рассматривается как отдельный бит внешней памяти.

Так же как и основная память, поверхность диска (или дисков) имеет структуру. Элементы физической структуры следующие:

1. дорожка – концентрическая окружность, по которой движутся головки чтения-записи при размещении или поиске данных. Дорожки нумеруются, начиная с нуля. Нулевой номер имеет самая внешняя дорожка на диске;

1. секторы – блоки, в которых размещаются данные на дорожке при записи. Нумеруются, начиная с единицы. Помимо пользовательской информации (самих данных), сектора содержат служебную информацию, например, собственный номер. Сектора являются минимальными адресуемыми элементами данных для диска;

1. стороны диска. Нумеруются, начиная с нуля. Для винчестера, расположенного вертикально, нулевой номер имеет самая верхняя сторона, для гибкого диска нулевой номер у «лицевой» стороны дискеты;

1. цилиндр – совокупность дорожек с одинаковыми номерами на разных сторонах диска. Номера цилиндров совпадают с номерами дорожек;

1. кластер – совокупность секторов, имеющих смежные номера. Может состоять из одного сектора (для дискет) или нескольких (для винчестера). Является минимальным адресуемым элементом данных для операционной системы. Кластеры используются операционной системой для добавления данных к файлу: добавление очередной «порции» данных к файлу выполняется в объеме кластера независимо от того, что реальный объем добавляемых меньше объема кластера. Это приводит к нерациональному расходованию внешней памяти. Поэтому не рекомендуется хранить на диске большое количество маленьких файлов: они имеют много пустых «хвостов».

Разбивка непрерывного пространства поверхности диска на указанные элементы (можно эту процедуру назвать дискретизацией) выполняется при его форматировании. При этом также формируется маркер начала и конца дорожки, места расположения секторов, в сектора записывается служебная информация.

Дискретное пространство диска имеет, в свою очередь, следующую структуру (она описана в порядке возрастания номеров сторон, дорожек и секторов):

1. таблица разделов PT (Partition Table). Состоит из четырех элементов, описывающих разделы диска, причем операционные системы используют только первые два элемента. Описание раздела диска содержит данные о первых и последних головках чтения-записи, дорожках, секторах раздела, общем количестве секторов в разделе, типе файловой системы и признак того, что раздел является загрузочным;

1. главная загрузочная запись MBR (Master Boot Record). Содержит код процессора, необходимый для дальнейшей загрузки операционной системы;

1. загрузочная запись операционной системы BR (Boot Record). Содержит следующую информацию: программу загрузки операционной системы, размер кластера, количество копий FAT, количество файлов в корневом каталоге Root, размер FAT и некоторую другую информацию;

1. таблица размещения файлов FAT (File Allocation Table) и ее копии. Содержит полную карту принадлежности кластеров файлам и используется операционными системами для хранения сведений о размещении файлов на диске и о «плохих» (bad) кластерах. В силу важности FAT она дублируется несколько раз;

1. корневой каталог Root. Это таблица, в которой каждая запись соответствует файлу или подкаталогу, подчиненному корневому каталогу диска, и имеет структуру:

• имя файла или подкаталога;

• тип файла,

• атрибуты, в которых определяются следующие параметры файла или подкаталога: предназначенность только для чтения, скрытость, системность, маркер принадлежности данной записи метке тома, признак принадлежности данной записи подкаталогу, а не файлу,  архивность;

• время создания;

• дата создания;

• номер начального кластера файла или подкаталога;

• размер файла.

Следует подчеркнуть, что записи для файлов и подкаталогов идентичны за исключением двух характеристик: в поле атрибутов выставлен признак подкаталога и в поле размеров выставлен ноль.

6.    область размещения файлов FA (File Area). Содержит файлы и подкаталоги, которые описаны в Root. Следует иметь в виду, что при размещении файлов на диске операционная система выбирает для этого первые попавшие свободные кластеры. Поэтому в результате файл физически "разорван" на множество "кусков", что увеличивает время его сборки впоследствии. Такое явление называется фрагментацией файла. Для устранения фрагментации выполняют дефрагментацию файла, когда он по возможности "собирается" в единое целое, что позволяет оптимизировать работу с внешней памятью.

Взаимосвязь областей Root, FAT, FA при поиске файла или каталога по его имени, указанному, например, в команде MS DOS, показана ниже.

Пусть файл с именем ABC.TXT расположен в области FA в тех кластерах, которые выделены серым цветом (их номера показаны ниже):

10	11	12	13	14	15	16	17

Остальные кластеры свободны. Тогда в FAT в записях с номерами 10 – 17 появятся  данные, показанные в таблице:

№ записей FAT	Содержимое записи FAT
10	12
11
12	15
13
14
15	17
16
17	EOF

Каждая запись FAT, как видно из таблицы, соответствует одному кластеру и либо содержит номер следующей записи в FAT, соответствующей кластеру  с продолжением файла, либо пуста (для незанятых кластеров).  Строго говоря, для свободных или «плохих» кластеров записи в FAT заполняются специальными соответствующими кодами.

В области Root имеется запись с описанием файла ABC.TXT следующей структуры:

Имя файла	Тип файла	...	№ первого кластера	...
ABC	TXT		10

Тогда при упоминании имени файла в команде операционная система выполняет следующие действия:

• обращается в область Root, адрес которой фиксирован и известен, и находит там нужную запись (напомним, что операционные системы требуют уникальности имен файлов и подкаталогов, содержащихся в одной директории). Выбирает из этой записи номер первого кластера;

• обращается к FAT, адрес которой фиксирован и известен, и по номеру первого кластера находит соответствующую запись FAT;

• в  найденной записи FAT выбирает содержимое записи – это номер следующей записи FAT с описанием продолжения (или окончания) файла;

• если очередная запись FAT содержит EOF, “сборка” файла закончена; иначе   повторяется предыдущий шаг.