Анализ и оценка аппаратных средств современных ПЭВМ

1.3 Внутренняя память

Внутренняя память состоит из нескольких частей: оперативной, постоянной (ПЗУ), кэш – памяти. В отличие от оперативной и кэш – памяти, которые хранят данные, пока есть электропитание, ПЗУ является энергонезависимой и используется для хранения неизменяемой информации. В ней записаны программы, с помощью которых происходит тестирование устройств и загрузка операционной системы (ОС). Большая часть этих программ связана с обслуживанием процессоров ввода – вывода, и содержимое ПЗУ часто называют BIOS (Basic Input/ Output System, или базовая система ввода - вывода). Объём ПЗУ значительно меньше, чем ОЗУ, не превышает несколько сотен Кбайт. Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на заводе, теперь современные технологии позволяют обновлять его, даже не извлекая из компьютерной платы.

Микросхемы оперативной памяти монтируются на маленькой плате снабжённой контактами, с помощью которых она вставляется в специальный разъём (слот) на материнской плате. Для расширения возможностей компьютера материнская плата снабжается несколькими такими разъёмами.  Кэш – память служит для ускорения работы компьютера. Существуют два вида кэш – памяти: внутренняя, размещаемая внутри процессора, и внешняя, устанавливаемая на системной плате.

Ячейки памяти имеют свои уникальные адреса. Минимально адресуемой ячейкой памяти является байт. Так называемое машинное слово, с которым работает процессор, может содержать несколько байтов. Его адресом считают адрес младшего байта, а количество разрядов совпадает с разрядностью процессора. Чем длиннее машинное слово, тем выше производительность компьютера.

Существуют  две операции с памятью: запись и считывание данных.

Запись (сохранение) – это процесс размещения данных в памяти по заданному адресу. Предыдущее содержимое ячейки стирается, а новое хранится до следующего обращения к ячейке с записью.

Чтение (считывание) – это процесс получение копии данных из памяти по заданному адресу. Содержимое памяти при этом не меняется. К важнейшим характеристикам внутренней памяти относятся объём (ёмкость) и время доступа к данным (быстродействие).

Объём памяти – это максимальное количество данных, которое можно переместить в памяти. Измеряется в байтах и в производных от байтов единицах (Кб, Мб, Гб).

Быстродействие памяти – это скорость записи или считывания данных. Измеряется в наносекундах (1нс = 10-9 сек).

Быстродействие ОЗУ существенно  меньше скорости центрального процессора. Поэтому для увеличения общей производительности ПК разработали небольшую по объёму, но очень быструю кэш – память (англ. Cache - тайник, склад). Процессор использует кэш исключительно самостоятельно, помещая туда извлечённые им из ОЗУ данные и программы, запоминая при этом адреса, откуда информация была извлечена. Если эти данные потребуются повторно, то уже не надо будет терять время на обращение к ОЗУ – их можно получить из кэш – памяти значительно быстрее. Поскольку объём кэш существенно меньше объёма оперативной памяти, его контроллер тщательно следит за тем, какие данные сохраняются в кэш. Удаляется информация, которая используется редко или совсем не используется. Следует заметить, что кэш- память является очень эффективным средством повышения производительности компьютера. Увеличение объёма кэш повышает эффективность работы компьютера.

Оперативную память принято называть памятью произвольного доступа или RAM (Random Access Memory). Микросхемы памяти могут быть статическими и динамическими. Оба вида микросхем успешно конкурируют между собой, поскольку ни одна из них не является идеальной.

На практике выбор микросхем для построения ОЗУ решается в пользу динамической памяти DRAM (Dinamic RAM). В ней значение каждого бита определяется наличием или отсутствием заряда в конденсаторе. Ячейки DRAM очень компактны, но со временем конденсаторы испытывают утечку заряда. Поэтому микросхемы DRAM требуют периодического обновления информации, чтобы избежать её потери. Такой процесс, получивший название «регенерация памяти», несколько снижает быстродействие ОЗУ.

Кэш – память реализуется на микросхемах статической памяти SRAM (Static RAM), которые значительно проще в эксплуатации и приближаются по быстродействию к процессорным микросхемам. Информация в ячейке хранится надёжно и не требует восстановления. Но статическая память дорогая и энергоёмкая. Она может перегреваться, а это уменьшает надёжность. Поэтому нельзя строить всю оперативную память только по статическому принципу так, как построена кэш – память.

Микросхемы памяти собираются в модули и устанавливаются в специальные разъёмы на материнской плате. В современных компьютерах используется память ёмкостью 128, 256, 512 Мб и 1 Гб.

1.4 Внешняя память

Внешняя память – это место накопления и длительного хранения данных. Во внешней памяти хранится всё программное обеспечение ПК.

Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя – устройства, обеспечивающего запись и считывание информации, и носителя – устройства, на котором информация непосредственно хранится.

Существует множество разнообразных носителей информации, но по – настоящему популярными являются немногие из них. Это почти вымершие ГМД (дискеты), неизменные ЖМД (винчестеры), очень популярные CD- R, CD – RW, менее популярные DVD – R и DVD – RW, всё больше 9по мере удешевления) набирающая популярность flash – память.

Основные характеристики накопителей и носителей: информационная ёмкость; скорость обмена информацией; надёжность хранения информации; стоимость.

Рассмотрим подробнее виды накопителей и носителей, разделённые по принципам функционирования: электронные, магнитные и оптические.

Гибкие магнитные диски (ГМД) называются дискетами или флоппи – дисками. Для работы с ними используется накопитель на гибких магнитных дисках (НГМД).

Ёмкость дискет очень маленькая (1, 44 Мбайта), и скорость обмена очень низкая, поэтому обычно дискеты применяют для переноса небольших объёмов информации с одного компьютера на другой.

Запоминающей средой в магнитных дисках являются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющие фиксировать два магнитных состояния – два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставят в соответствие  двоичные цифры 0 и 1.

Данные на магнитный диск записываются и считываются магнитными головками дисковода. При записи и чтении информации диск вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит её к нужному месту напрямую.

В накопителе флоппи – диска имеются два двигателя: один обеспечивает стабильную скорость вращения вставленной в накопитель дискеты, а второй перемещает головки записи – чтения.

Дискеты требуют аккуратного обращения, иначе они могут быть повреждены.

Новый магнитный диск должен быть размечен, то есть на поверхность диска нанесены дорожки и секторы. Процесс разметки называется форматированием. Дорожки представляют собой узкие концентрические кольца на диске. Каждая дорожка разделена на части, называемые секторами. При чтении или записи устройство всегда считывает или записывает целое число секторов независимо от объёма запрашиваемой информации. Размер сектора на дискете равен 512 байт. Кластер (один или несколько секторов) – наименьшая область диска, которую ОС использует при записи файла.

Информация, бывшая на диске, после форматирования не подлежит восстановлению.

Накопитель на жёстких магнитных дисках сокращённо называется НЖМД или просто жёстким диском. Часто его называют «винчестер».

Конструктивно НЖМД в одном корпусе объединяют и носитель, и устройство чтения/записи. Жёсткий диск содержит несколько алюминиевых дисковых пластин, покрытых магнитным слоем, помещённых на одну ось и блок головок записи/чтения с их общим приводящим механизмом. Принцип функционирования жёстких дисков такой же, как для ГМД.

Дисковые накопители являются устройствами с «прямым доступом». Это означает, что обращение к искомому участку диска происходит непосредственно по заданному адресу. Прямой доступ гораздо эффективнее последовательного.

Жёсткий диск имеет самый большой объём среди всех запоминающих устройств, используемых в ПК. В настоящее время используются жёсткие диски ёмкостью от 40 Гб до 500 Гб. Скорость обмена в десять раз выше, чем у НГМД.

Оптические диски называют лазерными, поскольку информация на них записывается и читается с помощью лазерного луча. Их изготавливают из органических материалов с тонким напылением алюминиевого слоя.

Оптические диски часто называют компакт – дисками, или CD (от англ. Compact Disk). Они являются односторонними носителями информации с ёмкостью до 700 Мб. Доступ к данным осуществляется быстрее, чем к данным на дискетах, но медленнее, чем на жёстких дисках. К достоинствам оптических дисков относятся большая ёмкость, высокая надёжность хранения информации и долговечность. Различают три типа оптических дисководов.

CD – ROM (Compact Disk Read Only Memory)  - дисковод для чтения с компакт  - дисков. Запись на поверхности тончайшего алюминиевого слоя представляется здесь чередованием впадин и отражающих свет островков. Считывание информации происходит при помощи лазерного луча. Попадая на островок, луч отражается, фотодетектор интерпретирует это как двоичную единицу. Луч лазера попадающий во впадину, поглощается – фотодетектор фиксирует двоичный ноль. Информация от фотодатчиков в виде электрических сигналов поступает на микропроцессор, который преобразует эти сигналы в двоичные данные или звук.

CD- R (Compact Disk Recordable) – дисковод для чтения и однократной записи на компакт – диск. Лазерный луч прожигает микроскопические углубления на поверхности диска под защитным слоем, производя тем самым запись. Накопители CD – R позволяют записывать собственные компакт- диски.

CD – RW (Compact Disk ReWritable) – устройства с возможностью многократной записи на оптический диск. Для этих целей используют многослойный диск с отражающей поверхностью, перед которой находится слой вещества с изменяемой фазой состояния. Фаза состояния отдельных участков одного из слоёв может изменяться под действием лазерного луча, отличающееся на участках с кристаллическим и аморфным состоянием этого слоя.

Такие дисководы наиболее популярны, поскольку позволяют работать со всеми видами CD – дисков.

DVD –диски (Digital Versatile Disk) – одно – или двусторонние носители информации с высокой плотностью записи. Имея те же габариты, что обычный компакт – диск, и похожий принцип работы, он вмещает значительно больше информации – от 4,7 до 17 Гбайт. Эти диски называют универсальными. Сейчас реально применяются DVD –диски лишь в двух областях: для хранения видеофильмов (DVD –Video) и сверхбольших баз данных (DVD- ROM, DVD-R). Для DVD- дисков, также, как и для CD, существуют R и RW дисководы.

Флеш – память – это очень компактная, энергозависимая полупроводниковая память, которая подключается к компьютеру через USB – порт. Существует две разновидности этих портов: менее скоростной просто USB –порт и более скоростной USB2 – порт. Стирание во флеш – памяти производится сразу блоками или полностью всей микросхемы. Это повышает производительность в режиме записи. Флеш – память обладает низким энергопотреблением, высокой надёжностью, невысокой стоимостью и всё более растущей популярностью.

Флеш – память различается по информационной ёмкости (16, 32, 64, 128 Мб, и т. д. до нескольких Гб) и по стоимости в соответствии с ёмкостью. Наиболее ёмкие требуют наличия в компьютере USB2 – порта.

1.5 Видеосистема компьютера

Видеосистема компьютера состоит из монитора (дисплея), видеоадаптера и программы – драйвера, поставляемого в комплекте с видеоадаптером, где формируется изображение, которое мы видим на экране монитора.

Видеоадаптер (видеоконтроллер, видеокарта) – электронная карта, обрабатывающая видеоданные и управляющая работой дисплея. Он имеет свою видеопамять и свой графический процессор.

Первый видеоадаптер поддерживал одноцветный (монохромный) режим вывода. Он имел разрешающую способность 720×350. Этот адаптер получил широкое распространение за рубежом. Однако он совершенно не умел воспроизводить графику, и русские буквы на экране можно было увидеть только после предварительной «русификации» - установки специальной микросхемы ПЗУ.

В 1981 году первым цветным адаптером в компьютерах IBM PC стал адаптер CGA (Color Graphics Adapter). Он имел максимальное разрешение 640×200. В режиме разрешения 320×200 точек он воспроизводил четыре цвета из палитры в 16 цветов.

В 1984 году появляется графический адаптер EGA (Enchanced Graphics Adapter). При максимальном разрешении 640×350 и при наличии не менее 128 Кбайт видеопамяти он мог одновременно воспроизводить 16 цветов.

Видеоадаптер VGA (Video Graphics Array, 1987 г.) имел видеорежимы: 16 цветов при разрешении 640×480 и 256 цветов при разрешении 320×200 и 256 Кбайт видеопамяти.

Современные видеоадаптеры формата SVGA (Super VGA) позволяют выводить 16 миллионов цветов – именно столько цветов различает человеческий глаз при разрешении экрана 1024×768.

Основные характеристики видеосистемы – это разрешающая способность (разрешение) экрана, цветовая палитра, частота кадровой развёртки, ёмкость видеопамяти.

Разрешающая способность определяется количеством различимых точек (пикселей) на экране по горизонтали и вертикали. Большинство современных мониторов имеют следующие значения разрешающей способности: 800×600, 1024×768, 1600×1200 и далее.

Видеосистема не обязательно работает в режиме максимальной разрешающей способности, это может быть и режим меньшего разрешения.

Цветовая палитра – количество одновременно отображаемых цветов или градаций яркости на экране. Максимальная цветность видеоадаптера вычисляется в зависимости от количества бит видеопамяти, которые отводит видеоадаптер на формирование каждого пикселя. Например, 4 бита на один пиксель даст 24 = 16 цветов. Разрешение и количество цветов, которые поддерживает видеоадаптер, называется видеорежимом. Существуют видеоадаптеры, в которых для кодирования цвета используется 15 или 16 разрядов, это 32768 или 65536 цветов. Такие видеорежимы называют HighColor. А в видеоадаптерах с точной цветопередачей применяют 24 – разрядное кодирование цвета, по 8 разрядов на каждую составляющую. Такой видеорежим называется TrueColor.

Частота кадровой развёртки – это частота, с которой меняются кадры изображения на экране. Она должна быть ниже 60 Гц, чтобы изображение не мерцало. Для глаз наиболее приемлема частота развёртки 85 Гц и выше.