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.

Асинхронная динамическая память (DRAM).Асинхронный интерфейс работы динамической памяти предусматри­вает наличие отдельного устройства в контроллере памяти для генерации управляющих сигналов. Для операций чтения/записи определяется продолжительность, зависящая от технологии изготовления микросхемы, ширины шины данных, наличия буфера и других параметров. Каждый цикл операции чтения и записи ячеек памяти может иметь продолжительность, отличную от других циклов. Никакая последующая операция не может начаться до сигнала об окончании предыдущей. Для генерации необходимых импульсов контроллер асинхронной памяти имеет делитель, вырабатывающий сигналы необходимой частоты для каждой операции внутри цикла.

Синхронная динамическая память (SDRAM).Вэтом случае все команды и обмен данными по шине памяти прохо­дят синхронно с тактовыми импульсами системной шины, поэтому все циклы одной операции имеют одинаковую продолжительность.

Ячейки в динамической памяти образуют матрицу, состоящую  из строк и столбцов. При считывании данных содержимое одной строки целиком  переносится в буфер, реализованный на элементах статической памяти. После этого из строки считывается значение (0 или 1) нужной ячейки, и содержимое буфера вновь записывается в прежнюю строку динамической памяти. Такие переносы данных осуществляются путем изменения состояния конденсаторов ячеек, то есть происходит процесс заряда (разряда, если конденсатор был заряжен). Так как конденсаторы чрезвычайно малы, высока вероятность непроизвольного изменения их состояния из-за паразитных утечек и наводок.

Для исключения утраты данных проводятся циклы регенерации с  определенной частотой, которые обычно инициализируются специализированными микросхемами. За один такт микропроцессора память может регенерироваться несколько раз.

Без участия МП информация из памяти может считываться блоками  устройством прямого доступа  к памяти DMA — Direct Memory Access. При необходимости оно посылает запрос, содержащий адрес и размер блока данных, а также управляющие сигналы. Так как доступ к памяти по каналам DMA одновременно могут иметь несколько устройств (например, процессор, видеокарта с интерфейсом AGP, контроллер шины PCI, HDD), образуется очередь запросов, хотя каждому потребителю ресурсов памяти требуются собственные данные, часто расположенные не только в разных микросхемах, но и в разных банках памяти.

ОЗУ (англоязычное название RAM, Random-Access Memory — память с произвольной выборкой) хранит выполняемые программы и данные, непосредственно участвующие в операциях. Среднее время доступа к ее ячейкам составляет около 10 наносекунд (10~9 с). На современных ПК объем ОЗУ находится в пределах 128-4096 Мбайт. От объёма ОЗУ зависит не только возможность работы с ресурсоёмкими программами, но и его производительность, поскольку при нехватке памяти в качестве её логического расширения используется жесткий диск, время доступа к которому значительно больше. На производительность ПК влияют также быстродействие ОЗУ и используемый способ обмена данными между микропроцессором и памятью.

ОЗУ реализуется на микросхемах  DRAM (Dynamic RAМ — динамическая память с произвольной выборкой), характеризующихся по сравнению с другими разновидностями памяти низкой стоимостью и высокой удельной ёмкостью, но большим энергопотреблением и меньшим быстродействием. Каждый информационный бит (0 или 1) в DRAM хранится в виде заряда конденсатора. Из-за токов утечки этот заряд необходимо с определённой периодичностью обновлять. Регенерация содержимого памяти требует дополнительного времени, а запись информации во время регенерации в память не допускается.

Видеоадаптер ПК позволяет  монитору взаимодействовать с процессором. Поэтому видеоадаптер должен иметь  специальную память (видеопамять), в  которую процессор записывает изображение в периоды относительно небольшой загруженности. А уже затем видеоадаптер, независимо от процессора, может выводить содержимое видеопамяти на экран. В современных условиях минимальным объёмом видеопамяти следует считать 32 Мбайт, приемлемым — 128 Мбайт, комфортным — 256 Мбайт. Ввиду больших объёмов видеоинформации видеоадаптеры, как правило, подключаются к материнской плате через специализированные шины с наибольшей пропускной способностью.

Энергонезависимая память CMOS. Выше мы отметили, что работа таких стандартных устройств, как клавиатура, может обслуживаться программами, входящими в BIOS, но такими средствами нельзя обеспечить работу со всеми возможными устройствами. Так, например, изготовители BIOS абсолютно ничего не знают о параметрах наших жестких и гибких дисков, им не известны ни состав, ни свойства произвольной вычислительной системы. Для того чтобы начать работу с другим оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно найти нужные параметры. По очевидным причинам их нельзя хранить ни в оперативной памяти, ни в постоянном запоминающем устройстве. Специально для этого на материнской плате есть микросхема «энергонезависимой памяти», по технологии изготовления называемая CMOS. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет.

В микросхеме CMOS хранятся данные о гибких и жестких дисках, о  процессоре, о некоторых других устройствах материнской платы. Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии), тоже связан с тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS. Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны.

Микросхема ПЗУ и система BIOS. В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет  ничего — ни дан­ных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в том числе и в первый момент после включения. Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ (всегда одинаково). Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам. Этот исходный адрес не может указывать на оперативную память, в которой пока ничего нет. Он указывает на другой тип памяти — постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся в ПЗУ, называют «зашитыми» — их записывают туда на этапе изготовления микросхемы. Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS — Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют нам наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры. Модуль BIOS находится в микросхеме энергонезависимой памяти (CMOS'-памяти). В CMOS'-памяти записана конфигурация аппаратных средств компьютера и некоторая другая информация. Она питается от небольшой батареи, и поэтому ее содержимое не стирается даже после выключения питания компьютера. Если системная плата содержит встроенный контроллер накопителей на жестких дисках, на ней также располагается разъем для подключения индикатора жесткого диска. Этот индикатор светится в момент обращения к жестким дискам.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область — так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.

Нередко кэш-память распределяют по нескольким уровням. Кэш первого  уровня выполняется в том же кристалле, что и сам процессор, и имеет  объем порядка десятков Кбайт. Кэш  второго уровня находится либо в  кристалле процессора, либо в том же узле, что и процессор, хотя и исполняется на отдельном кристалле. Кэш-память первого и второго уровня работает на частоте, согласованной с частотой ядра процессора. Кэш-память третьего уровня выполняют на быстродействующих микросхемах типа SRAM и размещают на материнской плате вблизи процессора. Ее объемы могут достигать нескольких Мбайт, но работает она на частоте материнской платы.

 

 

 

4 Организация систем адресации и команд

 

Процессор — основная микросхема компьютера, в которой и производятся все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами. Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.

С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь  с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина.

Адресная шина. У процессоров Intel Pentium (а именно они наиболее распространены в персональных компьютерах) адресная шина 32-разрядная, то есть состоит из 32 параллельных линий. В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, говорят, что на этой линии выставлена единица или ноль. Комбинация из 32 нулей и единиц образует 32-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из ячейки в один из своих регистров.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на базе процессоров Intel Pentium, шина данных 64-разрядная, то есть состоит из 64 линий, по которым за один раз на обработку поступают сразу 8 байтов.

Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с  теми байтами, которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве современных процессоров шина команд 32-разрядная (например, в процессоре Intel Pentium), хотя существуют 64-разрядные процессоры и даже 128-разрядные.

Система команд процессора. В процессе работы процессор обслуживает  данные, находящиеся в его регистрах, в поле оперативной памяти, а также  данные, находящиеся во внешних портах процессора. Часть данных он интерпретирует непосредственно как данные, часть данных — как адресные данные, а часть — как команды. Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие системы команд. Процессоры, относящиеся к разным семействам, различаются по системе команд и не взаимозаменяемы.

Процессоры с расширенной  и сокращенной системой команд.Чем шире набор системных команд процессора, тем сложнее его архитектура, тем длиннее формальная запись команды (в байтах), тем выше средняя продолжительность исполнения одной команды, измеренная в тактах работы процессора. Так, например, система команд процессоров Intel Pentium в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд. Такие процессоры называют процессорами с расширенной системой команд — CISС-процессорами (CISC — Complex Instruction Set Computing).

В противоположность CISC-процессорам в середине 80-х годов появились процессоры архитектуры RISC с сокращенной системой команд (RISC — Reduced Instruction Set Computing). При такой архитектуре количество команд в системе намного меньше, и каждая из них выполняется намного быстрее. Таким образом, программы, состоящие из простейших команд, выполняются этими процессорами много быстрее. Оборотная сторона сокращенного набора команд состоит в том, что сложные операции приходится эмулировать далеко не эффективной последовательностью простейших команд сокращенного набора.

В результате конкуренции  между двумя подходами к архитектуре  процессоров сложилось следующее распределение их сфер применения:

• CISC-процессоры используют в универсальных вычислительных системах;

• RISC-процессоры используют в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение единообразных операций.

Для персональных компьютеров  платформы IBM PC долгое время выпускались только CISC-процессоры, к которым относятся и все процессоры семейства Intel Pentium. Однако в последнее время компания AMD приступила к выпуску процессоров семейства AMD-K6, в основе которых лежит внутреннее ядро, выполненное по RISC-архитектуре, и внешняя структура, выполненная по архитектуре CISC. Таким образом, сегодня появились процессоры, совместимые по системе команд с процессор Заключение

Системная память подразделяется на два типа — с динамической и статической выборкой, динамическая в свою очередь на синхронную и асинхронную.