5 лекция инфо

что как при разряде конденсаторов неизбежны переходные процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно. Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство рассеиваться в пространстве (разряжаться), причем весьма быстро. Если оперативную память постоянно не подзаряжать, утрата данных происходит через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход ресурсов вычислительной системы.

Статический тип оперативной памяти (SRAM) - ячейки этого типа памяти можно представить как электронные микроэлементы - статические триггеры. В триггере храниться не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технически он сложнее и дороже. Для реализации одного запоминающего элемента такого типа оперативной памяти необходимо

4-6 транзисторов.

Микросхемы динамической памяти используются в качестве основной оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти используются в

качестве вспомогательной памяти (например, для кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.

Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается шестнадцатеричным числом. В настоящее время в процессорах Intel Pentium и некоторых других принята 32разрядная адресация, а это означает, что всего независимых адресов может быть 232. Таким образом, в современных компьютерах возможна непосредственная адресация к полям памяти размером 232 = 4294967296 бай (4,3 Гбайт). Однако это отнюдь не означает, что именно столько оперативной памяти, установлено в компьютере, максимальное количество оперативной определяется микропроцессорным комплектом (чипсетом) материнской платы.

Оперативная память компьютера размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Конструктивно современные модули оперативной памяти имеют исполнение SIMM-однорядные модули и DIMMдвухрядные модули.

Виды современных модулей памяти, по способу доступа к данным, перечислены ниже в порядке возрастания производительности микросхем.

SDRAM – Synchronous ( синхронная) DRAM синхронизирована с системным таймером, управляющим центральным процессором. Технология SDRAM позволяет применять банки памяти, используя их чередование (interleaving) для ускорения работы памяти.

SDRAM II (DDR) – Synchronous DRAM II или DDR (Double Date Rate – удвоенная скорость передачи данных) – следующее поколение SDRAM. В DDR используется более точная внутренняя синхронизация, отсутствующая в SDRAM, которая фактически увеличивает скорость доступа вдвое за счет возможности передачи данных на обеих границах сигнала тактовой частоты.

SLDRAM (SyncLink) – продукт DRAM консорциума, который является ближайшим конкурентом Rambus. Этот консорциум объединяет двенадцать производителей DRAM. SLDRAM продолжает развивать технологии SDRAM. Добавляется новый интерфейс и управляющая логика. Кроме того, SLDRAM передает данные по каждому такту.

RDRAM – Rambus DRAM представляет собой интегрированную на системном уровне технологию, разработанную Rambus Inc., включающую многофункциональный протокол обмена данными между микросхемами, работающий на высокой частоте. Технология Direct RDRAM состоит из трех функциональных частей: Rambus Interface, Rambus Channel и собственно чипы RDRAM. RAMBUS запатентована 11 крупнейшими производителями DRAM. Одной из современных разновидностей RDRAM является Concurrent Rambus, она использует улучшенный протокол. По сравнению с RDRAM

применен новый синхронный параллельный протокол для чередующихся или перекрывающихся данных, который повышает эффективность на 80 %. Конструктивно RDRAM построен на 184– х пиновом модуле. ( Пин –pin – иголочка на модуле DIMM).

Direct Rambus DRAM – это совместная разработка Intel и Rambus Inc. По доработке существующей технологии Rambus, в ней обеспечено расширение интерфейса до 16 бит, переход на частоту 800Мгц и внедрение более эффективного протокола.

VCM133 – использование технологии Virtual Channel Memory, для увеличения эффективности работы SDRAM. Она обеспечивает достаточно заметный прирост в быстродействии, практически не сказываясь на стоимости чипа DRAM. Каждому устройству (из тех, которые конкурируют между собой за доступ к памяти) назначается свой высокоскоростной виртуальный канал, учитывающий специфические характеристики его запросов. Внешние и внутренние операции абсолютно независимы друг от друга и могут исполняться параллельно. По выводам (количеству пинов) чипы полностью аналогичны обычным чипам SDRAM. VCM полностью независима от типа памяти и с легкостью может быть в дальнейшем встроена в SDRAM и DDR DRAM.

В видеопамяти также используется динамическая оперативная память, работа которой имеет ряд особенностей, которые будут рассмотрены в разделе видеоподсистема.

Появилась магнитная память MRAM в интегральном исполнении. Сочетая скорость SRAM и возможность хранения информации при отключённом питании, MRAM является перспективной заменой используемым ныне типам ROM и RAM. Однако она на сегодняшний день приблизительно вдвое дороже микросхем SRAM (при той же ёмкости и габаритах).

Шинные интерфейсы и контроллеры

Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами материнской платы выполняют ее шины и логические устройства, размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета). От архитектуры этих элементов во многом зависит производительность компьютера.

Обмен информацией между внешними устройствами и внутренней памятью компьютера осуществляется через два промежуточных звена. Во-первых, для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электрическая схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером. Некоторые контроллеры могут управлять сразу несколькими устройствами. Во-вторых, все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через магистраль передачи данных, которую называют шиной.

Шина - совокупность проводов и разъемов, обеспечивающих взаимодействие устройств компьютера.

Для подключения дочерних плат используются шины стандартов EISA, PCI, AGP. Наиболее распространенным является подключение дочерних плат через шину стандарта PCI (Peripheral Component Interconnect). На многих современных материнских платах уже нет разъемов для шипы стандарта EISA. Шина AGP (Advanced Graphic Port) предназначена для обмена информацией с видеоадаптером.

Для подключения внутренних накопителей используются интерфейсы IDE (Integrated Disc Electronic) и SCSI (Small Computer System Interface). На материнской плате обычно имеются два IDE-контроллера, к каждому из которых можно подключить два IDEустройства (жесткие диски, накопители на компакт-дисках). Для подключения SCSIустройств нужно установить специальную дочернюю плату.

Подсоединение периферийных устройств (мышь, внешние модемы, сканеры, цифровые фотокамеры, принтеры и т.п.) производится через специальные интерфейсы, называемые портами ввода-вывода.

Порт (канал ввода-вывода) - путь, по которому происходит обмен данными между микропроцессором и микросхемами внешних устройств. Последовательный порт передает информацию побитно (интерфейс RS-232), а параллельный - побайтно (интерфейс Centronics). Обычно в ПК имеются один параллельный и два последовательных порта.

Ранее последовательные порты использовались для подключения мыши и внешних модемов, а параллельные – для подключения принтеров, сканеров и ключей защиты программ. В настоящее время последовательные и параллельные порты вытесняются шиной USВ (Universal Serial Bus), которая является обязательным элементом современного ПК.

Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи данных для средне- и низкоскоростных периферийных устройств. Она рассчитана па подключение до 127 устройств, поддерживает их автоопределение Plug and play, а также подключение к работающему компьютеру без его перезагрузки.

Интерфейс USB версии 1.1 является достаточно медленным, поэтому рекомендуется обращать внимание на поддержку материнской платой USB версии интерфейса 2.0, который обеспечивает более высокое быстродействие. То же касается периферийных устройств, подключаемых по USB.

Последовательная шина Fire Wire (IEEE 1394) используется для подключения устройств, требующих более высокой скорости обмена, чем может обеспечить шина USB (цифровых видеокамер, внешних жестких дисков и другого высокоскоростного оборудования). Может использоваться для создания локальной сети.

В портативных ПК часто используется шина PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). Часто ее называют PC Card. В портативных компьютерах часто используется инфракрасный порт (IrDA).

Платы расширения предназначены для подключения к шине ПК дополнительных устройств. Они устанавливаются в разъемы расширения на материнской плате.

Основные типы дочерних плат:

¾видеоадаптеры;

¾звуковые платы;

¾внутренние модемы и факс-модемы;

¾адаптеры локальной сети;

¾SCSI-адаптеры.

Устройства хранения информации.

Внешняя память компьютера. Накопители

Устройства хранения информации называют накопителями. В основе их работы лежат разные принципы (в основном это магнитные или оптические устройства), но используются они для одной цели – хранения информации и последующего многократного ее использования. Этот вид памяти, в отличие от оперативной памяти, является энергонезависимым. Объем носителей внешней памяти значительно превосходит объем оперативной памяти. Стоимость хранения единицы информации значительно ниже. Сам накопитель рассматривают как совокупность носителя и соответствующего привода.

Накопители бывают:

-внешними, имеющими свой корпус и источник питания;

-внутренними, встраиваемыми в корпус компьютера.

Внутренние накопители размещаются внутри системного блока ПК и подключаются через интерфейсы IDE и SCSI, а внешние – вне системного блока и подключаются через шины USB и Fire Wire.

Кроме того, различают накопители со сменными носителями и несменными носителями.

В зависимости от типа носителя подразделяют на накопители на магнитной ленте и накопители на диске.

Накопители на магнитной ленте называют устройствами последовательного доступа к информации. Дисковые накопители называют устройствами прямого доступа к информации.

Накопители имеют следующие характеристики: максимально возможный объем хранимой информации; время доступа к данным; надежность работы Немаловажное значение имеет стоимость хранения информации.

Жесткие диски (винчестеры)

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), жесткий диск – основное устройство для долговременного хранения больших объемов программ и данных.

На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с огромной скоростью. Жесткий диск современного компьютера и жесткий диск со снятой крышкой показаны на рисунках 27 и 28.

Рисунок 27 - Жесткий диск (винчестер)

Рисунок 28 - Жесткий диск со снятой крышкой Таким образом, этот диск имеет не две поверхности, как должно быть у обычного

плоского диска, а 2n-2 поверхностей для записи и чтения, где n – число отдельных дисков в пакете. Над каждой поверхностью располагается головка для чтения-записи данных. При высоких скоростях вращения дисков в зазоре между головкой и поверхностью образуется аэродинамическая подушка. При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в зазоре, что вызывает изменения в стационарном магнитном поле ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. Так осуществляется запись данных на магнитный диск. Операция считывания происходит в обратном порядке. Намагниченные частицы покрытия, проносящиеся с огромной скоростью близи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции. Электромагнитные сигналы, возникающие при этом, усиливаются и передаются на обработку.

Магнитная головка (их несколько в специальном позиционере) является одной из наиболее важных частей устройства. Конструкция магнитных головок постоянно совершенствуется. Различают следующие типы:

−монолитные, изготовленные из ферритов;

−композиционные, состоящие из нескольких видов материалов (стекло, сплавы, керамика);

−тонкопленочные, изготавливаемые методом фотолитографии;

−магниторезистивные, состоящие из двух – для записи и для чтения.

В настольных ПК используются накопители на жестком магнитном диске формфактора 3,5", а в ноутбуках - 2,5".

К основным параметрам жесткого диска относятся емкость и производительность. Емкость дисков зависит от технологии изготовления. В настоящее время большинство

производителей используют изобретенную компанией IBM технологию с использованием гигантского магниторезистивного эффекта. (GMR – технологию).

Производительность жестких дисков в первую очередь зависит от характеристик интерфейса, с помощью которого они связаны с материнской платой (т.е. от типа контроллера и шины передачи данных).

Современные НЖМД с интерфейсом IDE обладают достаточно большой надежностью, а их скорость обычно достаточна для решения любых стандартных задач. Исключение составляют задачи, требующие записи/считывания с диска большого потока данных, например при записи на диск видеоданных с высоким разрешением. Высокопроизводительные НЖМД требуются также для использования в серверах. Поэтому в них часто используются НЖМД с интерфейсом SCSI. Они значительно дороже, чем IDE-накопители.

Кроме скорости передачи данных с производительностью диска напрямую связан параметр среднего времени доступа. Он определяет интервал времени, необходимый для поиска нужных данных, и зависит от скорости вращения диска. Для дисков, вращающихся

счастотой 5400об/мин, среднее время доступа 9-10 мкс, для дисков с частотой 7200об/мин –7-8 мкс. Планируется увеличение скорости вращения до 14000 – 15000 об/мин.

Надежная работа жесткого диска обеспечивается как производителем, так и потребителем. Производитель обеспечивает надежность конструктивными и технологическими мероприятиями и подтверждает их эффективность высокими значениями среднего времени наработки на отказ. Для интерфейса SCSI - 500000 – 1000000 часов. Конкретный подход к надежности на уровне отдельного диска,

предусматривает SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology) – система контроля за некоторыми критическими узлами, интегрируемая во все жесткие диски. На основе информации, предоставляемой SMART, пользователь в случае необходимости может принять соответствующие меры по устранению неисправностей, вплоть до замены жесткого диска. Фирма Western Digital начала встраивать в свои жесткие диски специальную систему Data Lifeguard, основанную на SMART. Она действует полностью автоматически и через определенные промежутки времени производит сканирование поверхности носителей, проверяя целостность данных. Проблемные участки заново переписываются, либо информация переносится на другие участки носителя.

Потребитель, чтобы обеспечить надежную работу диска, в большинстве случаев просто должен соблюдать нормальные условия эксплуатации. Проблемы могут возникать

стемпературным режимом, причем для дисков с высокой скоростью вращения. В некоторых случаях важным фактором становиться устойчивость диска к внешним воздействиям, т.е. ударные и вибрационные нагрузки должны быть минимальны. Установка жесткого диска должна производиться опытным персоналом. По статистике 80% возвратов вызвано неквалифицированной установкой.

Самые крупные фирмы производители жестких дисков IBM, Quantum Seagate.Быстро растущие Fujitsu и Western Digital.

Для традиционной магнитной технологии с горизонтальной записью предел записи 20-40 Мбайт/кв.дюйм. Поэтому разрабатывают новую магнитооптическую технологию с вертикальной записью. О разработке этой технологии сообщила фирма Quantum. Она называется OAW (Optical Assisted Winchester). Насколько она перспективна, покажет время.

CD – диски и DVD - диски

Накопители на компакт-дисках – наиболее распространен ими тип накопителей, использующих сменные носители. Аббревиатура CD переводиться на русский язык как запоминающее устройство на основе компакт диска. Внешний вид современного компакт диска показан на рисунке 29.

Принцип действия этого устройства состоит в считывании и записывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося от поверхности диска. Цифровая запись на компакт диске отличается от записи на магнитных дисках очень высокой плотностью.

Компакт-диск имеет диаметр 4,75’’( имеются также диски уменьшенных размеров 3,5”), изготовлен из полимера и покрыт металлической плёнкой. Информация записывается и считывается именно с этой металлической плёнки, которая покрывается полимером, защищающим данные от повреждения. CD – диск является односторонним носителем информации. CD – диски выпускают емкостью 700 Мб, а маленьких размеров

210 Мб.

Определяя разновидности CD – дисков, следует различать с одной стороны устройства, позволяющие работать с компакт дисками (приводы), а с другой стороны виды самих носителей (т.е. дисков).

Диски CD бывают следующих видов:

¾CD-ROM·(Read Only Memory) – диски с которых можно только считывать

информацию;

¾CD-R (CD-Recordable) – диски, на которые можно один раз записать информацию, на устройствах позволяющих это сделать;

¾CD-RW диски, на которые можно записывать и перезаписывать

информацию.

Если говорить о приводах, то в настоящее время имеются следующие устройства.

¾CD-ROM·(Read Only Memory) - устройство для чтения с компакт дисков. С помощью этого устройства можно только считывать информацию с CD - дисков любых видов.

¾CD-RW (Read Write) – устройство, на котором можно читать любые диски, а так также записывать информацию на диски CD-R (CD-Recordable) однократной записи и CD-RW – диски для многократной записи.

¾DVD/CD-RW – combo ( комбо) – устройство, на котором можно работать также как и на CD-RW, а кроме этого считывать информацию с дисков DVD.

¾DVD-ROM - устройство для чтения с компакт дисков. С помощью этого устройства можно только считывать информацию с дисков любых видов.

¾DVD±RW - устройство, на котором можно читать любые диски, а так также записывать информацию на диски любых видов.

Рисунок 29 – CD – диски

Аббревиатура DVD расшифровывается как Digital Versatile Disk, т.е. универсальный цифровой диск. DVD – диски показаны на рисунке 30. Имея те же габариты, что обычный компакт-диск, и весьма похожий принцип работы, он вмещает чрезвычайно много информации — от 4,7 до 17 Гбайт. Возможно, именно из-за большой емкости он и называется универсальным. Правда, на сегодня реально применяется DVD-диск лишь в двух областях: для хранения видеофильмов (DVD-Video или просто DVD) и сверхбольших баз данных (DVD-ROM, DVD-R).

Рисунок 30 – Привод DVD и DVD – диск

Разброс ёмкостей возникает так: в отличие от CD-ROM, диски DVD записываются с обеих сторон. Более того, с каждой стороны могут быть нанесены один или два слоя информации. Таким образом, односторонние однослойные диски имеют объем 4,7 Гбайт (их часто называют DVD-5, т.е. диски емкостью около 5 Гбайт), двусторонние однослойные — 9,4 Гбайт (DVD-10), односторонние двухслойные — 8,5 Гбайт (DVD-9), а двусторонние двухслойные — 17 Гбайт (DVD-18). В зависимости от объема требующих хранения данных и выбирается тип DVD-диска. Если речь идет о фильмах, то на двусторонних дисках часто хранят две версии одной картины — одна широкоэкранная, вторая в классическом телевизионном формате.

Основным параметром дисководов (приводов) CD-дисков и DVD-дисков является скорость чтения записи и перезаписи данных. Она измеряется в кратных долях. За единицу измерения принята скорость чтения в первых серийных образцах, составляющая 150 Кбайт/сек – скорость бытового плеера. Таким образом, дисковод с удвоенной скоростью чтения обеспечивает производительность, 300 Кбайт/сек. и т.д. Увеличение скорости приводов это фактически единственное направление их совершенствования.

Накопители на гибких магнитных дисках

В настоящее время CD – диски получили широкое применение и стоят недорого, но пока еще не полностью вытеснили с рынка внешней памяти самые дешевые носители информации, которые много лет успешно служили для оперативного переноса небольших объемов информации, так называемые гибкие магнитные диски (floppy – дискеты), которые вставляют в специальный накопитель – дисковод. Приемное отверстие накопителя находится на лицевой панели системного блока. Правильное направление подачи гибкого диска отмечено стрелкой на его пластиковом кожухе.

Основными параметрами гибких дисков являются:

−технологический размер (Form Factor), измеряется в дюймах;

−плотность записи;

−полная емкость.

Начиная с 1980 года, начали выпускать гибкие дискеты 3,5 дюйма, и они полностью вытеснили с рынка дискеты 5,25 дюйма. В настоящее время стандартными считают диски размером 3,5 дюйма, высокой плотности (HD-High Density) и емкостью

1,44 Мб.

С нижней стороны гибкий диск имеет центральную втулку, которая захватывается шпинделем дисковода и приводится во вращение. Магнитная поверхность прикрыта сдвигающейся шторкой для защиты от влаги, грязи и пыли. Если на гибком диске записаны ценные данные, его можно защитить от стирания и перезаписи, сдвинув защитную задвижку так, чтобы образовалось открытое отверстие. Для разрешения записи задвижку перемещают в обратную сторону и перекрывают отверстие.

Гибкие диски считаются малонадежными носителями информации. Пыль, грязь, влага, температурные перепады и внешние электромагнитные поля очень часто становятся причиной частичной или полной утраты данных, хранившихся на гибком диске. Поэтому

использовать гибкие диски в качестве основного средства хранения информации сложно. Их лучше использовать для транспортировки информации или в качестве дополнительного (резервного) очень дешевого средства для хранения данных.

Гибкие магнитные диски являются устаревшим типом накопителей и постепенно вытесняются другими видами накопителей.

Другие виды современной внешней памяти

Накопители LS-120, Iomega ZIP и др. обеспечивают запись на специальные дискеты до 100-200 Мбайт. Однако дискеты для них достаточно дорогие, и потому для создания архивов выгоднее использовать носители CD-RW и стримеры

Еще большие объемы данных (5 Гбайт и более) можно записывать на магнитооптические диски. Они характеризуются исключительно высокой стойкостью к внешним воздействиям, практически неограниченным числом циклов перезаписи и высоким быстродействием. Распространены не очень широко из-за высокой стоимости.

Стримеры используются для создания архивов данных и позволяют сохранять на одной кассете с магнитной лептой до нескольких сотен Гбайтов. Это самый дешевый (в пересчете на мегабайты) способ хранения архивов.

В настоящее время на рынке вычислительной техники постоянно появляются новые разработки устройств для хранения информации. Среди них обратим внимание на следующие:

Flash Disk - Портативное устройство (не крупнее, чем колпачок от фломастера или авторучки) для хранения информации и переноса данных между компьютерами. Внешний вид этого вида внешней памяти показан на рисунке 31. Легкое и компактное, простое в эксплуатации. Для его работы не нужны ни специальные, соединительные кабели, ни источники питания, даже самые маленькие батарейки, ни дополнительное программное обеспечение.

Рисунок 31 – внешний вид Flash памяти Особенности съемного накопителя USB Flash Disk:

¾мобильность — необходимые файлы всегда будут с вами;

¾высокая скорость обмена данными через порт USB;

¾защита данных паролем;

¾не требуются питание от внешних источников или батарей;

¾компактный, легкий, оригинальный дизайн;

¾может быть отформатирован как загрузочный диск;

¾хранение данных до10 лет.

Устройства выпускаются различной емкости: 64, 128, 256, 512Мб и даже 1Гб. В настоящее время предлагается к продаже устройство PARADIGMA. Оно показано на рисунке 32. Емкость неформатированного носителя — 4 Гбайт.

Рисунок 32 – устройство PARADIGMA

Картридеры - на сегодняшний день карты флеш-памяти находят все большее применение в фотоаппаратах, сотовых телефонах, карманных компьютерах и т.д., в связи с этим образовалось большое количество различных стандартов и иметь под рукой устройство способное работать с любым из них весьма удобно. Компания Digma выпустила устройство, которое, как и традиционный флэш-диск, не требует внешнего источника питания, специального драйвера (кроме ОС Windows 98) и по размерам сопоставим со спичечным коробком: 66.7 x 47.4 x 13.6 мм. Вес устройства составляет 48 граммов. Устройство показано на рисунке 33.

Рисунок 33 – Картридер

RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) – массив – устройство, состоящее из нескольких винчестеров и RAID – контроллера. Внешний вид устройства показан на рисунке 34. Такое устройство обладает большим объемом дискового пространства, повышенной скорости обмена данными, значительной надежностью хранения информации. RAID level 0 обеспечивает высокую скорость обмена данными за счет параллельной записи на несколько дисков. Скорость обмена находится в прямой пропорции от количества используемых винчестеров. Надежность такого RAID – массива невелика. RAID level 1 обеспечивает надежность за счет дублирования информации на несколько дисков. RAID level 3 и 5 являются промежуточными вариантами, где надежность обеспечивается не простым дублированием информации, а дополнительной избыточной информацией, необходимой для восстановления информации при сбоях системы. RAID – массивы допускают замену винчестера без отключения питания и останова компьютерной системы, без потерь информации.

Рисунок 34 - RAID

К типу накопителей на сменных жёстких дисках относится накопитель Jaz. Ёмкость используемого картриджа — 1 или 2 Гб. Недостаток — высокая стоимость картриджа. Основное применение — резервное копирование данных.