Структура памяти ЭВМ

Назначение и классификация

Для эффективного использования ПЭВМ большое значение имеет оборудование их периферийными устройствами. Функциональные возможности ПЭВМ в значительной мере зависят от применяемого набора и технических характеристик периферийных устройств.

Периферийные устройства ПЭВМ предназначены для ввода, вывода и хранения данных с последующим их вводом в ПЭВМ, являются средствами коммуникации ПЭВМ с внешними источниками и потребителями информации и обеспечивают согласование сигналов внешних объектов и сигналов, используемых в ПЭВМ. В процессе своей работы они лишь преобразуют данные из одной формы представления информации в другую, не меняя их содержания.

Периферийные устройства ПЭВМ различаются по назначению, виду обслуживаемых объектов, физической природе обрабатываемых сигналов и носителей информации, принципу действия, техническим и эксплуатационным характеристикам, конструктивному исполнению и другим признакам. Все периферийные устройства ПЭВМ обычно подразделяют на три большие группы: 1) устройства связи ПЭВМ с человеком— пользователем; 2) устройства связи с объектами контроля и управления; 3) устройства для длительного хранения информации большой емкости.

К первой группе относятся устройства ввода—вывода и передачи информации, необходимые для общения человека с машиной, и электронные функциональные модули, их обслуживающие. Это, прежде всего, клавиатуры, различные планшеты (графоповторители) для работы с чертежами, устройства управления курсором дисплея (манипуляторы типа «мышь», «джойстик» и т. п.), видеотерминалы (дисплеи), печатающие устройства, сканеры, графопостроители. В последние годы быстро развиваются средства ввода—вывода человеческой речи.

Во вторую группу периферийных устройств включают устройства связи ПЭВМ с объектами и интерфейсами приборных систем: различные датчики и исполнительные органы, цифроаналоговые (ЦАП) и аналогово-цифровые (АЦП) преобразователи — устройства, необходимые для преобразования непрерывных сигналов с датчиков в цифровые сигналы и обратного преобразования при выдаче информации на исполнительные органы. С помощью периферийных устройств данной группы ПЭВМ приспосабливаются для управления технологическими процессами и оборудованием, автоматизации контроля и измерений, сбора данных и т.п. Все больше ПЭВМ оборудуется также средствами телеобработки, позволяющими подключать ПЭВМ к локальным и распределенным сетям ЭВМ. Значительный интерес представляют модемы — периферийные устройства, позволяющие передавать информацию от одной ПЭВМ к другой по телефонному каналу.

Третью группу периферийных устройств ПЭВМ составляют внешние запоминающие устройства (ВЗУ): накопители на гибких и жестких магнитных дисках, на магнитных лентах, на микросборках ЦМД. Серьезными конкурентами накопителям на магнитных носителях информации в ПЭВМ являются накопители на магнитооптических и оптических дисках.

Характерна также классификация периферийных устройств в зависимости от выполняемых ими в ПЭВМ функций. В соответствии с ней периферийные устройства ПЭВМ можно разделить на две категории. К первой относятся периферийные устройства, без которых практически невозможно функционирование вычислительной системы: клавиатуры, накопители на магнитных дисках, дисплеи, печатающие устройства, т.е. периферийные устройства, входящие в базовый комплект ПЭВМ. Такие периферийные устройства часто называют системными (общего назначения). Ко второй категории относят устройства, которые предоставляют дополнительные возможности пользователю профессиональной ПЭВМ, позволяя создавать рациональную конфигурацию вычислительной системы в зависимости от ее конкретной профессиональной ориентации (накопители на магнитной ленте, манипуляторы, графические планшеты, графопостроители, сканеры, коммуникационные и интерфейсные адаптеры, средства мультимедиа и т.д.). Подобные периферийные устройства называют дополнительными.

Подключение различных по функциональному назначению, принципу работы, интерфейсу и конструктивному исполнению периферийных устройств к центральному процессору ПЭВМ осуществляется через электронные функциональные модули. Эти модули выполняют обычно согласование интерфейсов периферийного устройства и системной шины ПЭВМ, буферизацию информации, а также некоторые локальные функции, часто сложные, освобождая от них центральный процессор.

Электронные функциональные модули, обслуживающие работу периферийных устройств в составе ПЭВМ, аналогично самим периферийным устройствам, могут быть разделены на две группы.

Модули первой группы управляют работой системных периферийных устройств, их называют контроллерами (управляющими устройствами). Модули второй группы приспосабливают дополнительные периферийные устройства для работы с ПЭВМ. Поскольку модули служат для адаптирования внешних сигналов периферийных устройств к сигналам системной шины ПЭВМ, их часто называют адаптерами. Такое деление электронных функциональных модулей ПЭВМ довольно условно, поэтому в литературе понятия «контроллер» и «адаптер» в большинстве случаев считаются синонимами.

Принцип подсоединения периферийных устройств к ПЭВМ (как системных, так и дополнительных) единый: через системную шину к центральному процессору подключается электронный функциональный модуль, управляющий работой данного периферийного устройства, этот же модуль электрически соединяется кабелем с самим периферийным устройством.

Для подключения к ПЭВМ периферийных устройств, производимых различными предприятиями (фирмами), наборы сигналов, передаваемых по кабелю и разъемным соединителям, техническое исполнение, а также правила обмена информацией между периферийным устройством и адаптером образуют систему, называемую интерфейсом периферийного устройства. Поэтому иногда электронные функциональные модули называют также интерфейсами, что. однако, не отражает сути последнего понятия. В профессиональной ПЭВМ обычно реализуются стандартные или унифицированные интерфейсы для подключения клавиатуры, дисплея, внешних запоминающих и других устройств.

Электронные функциональные модули, адаптирующие к ПЭВМ периферийные устройства, осуществляют не только управление периферийным устройством, но и обмен данными через системную шину между центральным процессором и периферийным устройством. Они представляют собой сложные устройства и часто содержат микропроцессорные схемы. Для управления процессом обмена информацией предварительно составляются и записываются в память специальные управляющие программы — драйверы. При необходимости выполнения операции ввода—вывода работа текущей программы прерывается и управление передается драйверу (через системную шину необходимая команда поступает к адаптеру, который через соответствующий интерфейс взаимодействует с подключенным периферийным устройством). По окончании работы периферийного устройства управление снова передается основной программе.

Упрощенная иллюстрация размещения информации и разделения адресного пространства процессора между оперативной памятью, памятью контроллера (адаптеров) и постоянной памятью показана на рис. 1.3.

Первые 640 Кбайт оперативной памяти использовались программами диско­вой операционной системы (DOS). Диапазон памяти от 640 Кбайт до 1024 Кбайт (верхняя память) зарезервирован для обслуживания различных устройств ком­пьютера (аппаратурный уровень), а диапазон от 1024 Кбайт и выше (расширен­ная память) - для хранения программ операционной системы Windows, OS/2 или Unix. Пространство памяти от 0 Кбайт до 1024 Кбайт стало стандартным с целью обеспечения полной совместимости различных процессоров. Кратко поясним назначение участков памяти.

Векторы прерывания - стартовые адреса программ обработчиков преры­ваний.

BIOS (Basic Input/Output System) - базовая система ввода/вывода, являю­щаяся частью операционной системы, управляющая работой устройств компью­тера и взаимодействующая с прикладными программами.

Прикладные программы (приложения) - программы, предназначенные для работы под управлением операционной системы.

BIOS хранится в постоянной памяти, содержит набор процедур (пакет слу­жебных программ) и выполняет следующие функции: загрузку операционной системы, инициализацию, тестирование, конфигурирование устройств компь­ютера, обслуживание аппаратных и программных прерываний. Данные BIOS -это данные о типе компьютера, объеме памяти, версии операционной системы, имеющемся оборудовании (числе и типе видеоадаптеров, гибких дисков, прин­теров, игровых портов и т. д.).

Для модернизации BIOS стали использовать флэш-память (специальное ПЗУ с многократным перепрограммированием).

Флэш-память может быть перезаписана без участия программатора непос­редственно в компьютере. Она характеризуется энергонезависимостью, элект­рическим стиранием информации с большой скоростью (частично или полно­стью) и малым временем доступа.

Драйверы - программы специального формата, управляющие работой устройств компьютера (принтера, накопителями гибкого и жесткого дисков, клавиатурой, мышью и т. д.).

Резидентные программы - программы, остающиеся в оперативной памяти после их выполнения и предохраняющиеся операционной системой от возмож­ного их искажения другими программами, которые через прерывание получают к ним доступ. Например, резидентными являются программы сжатия инфор­мации диска, кэширования памяти, сетевых протоколов и т. д.

ROM-BIOS - базовая система ввода/вывода, которая постоянно содержится в памяти, доступной только для чтения.

Программы пользователей - программы, загружаемые в оперативную па­мять в данный момент для выполнения.

Видеопамять - область памяти, размещенная в видеоадаптере, использую­щая адресное пространство оперативной памяти для вывода на экран графи­ческой и текстовой информации.

Каждому типу видеоадаптера отводятся определенные адресные участкиоперативной памяти (видеобуфера), например видеоадаптеры VGA и SuperVGA (VGA - Video Graphics Array, Видеографическая матрица) занимают адресное пространство А000 - BFFF (128 Кбайт), видеоадаптер CGA (Color Graphics Adapter, Цветной графический адаптер) - адресное пространство В8000 - ВСООО (16 Кбайт) и т. д.

Операционная система - пакет программ, управляющих устройствами ком­пьютера и осуществляющих взаимодействие пользователя с компьютером и программ между собой, то есть обеспечивающих связь программ, аппаратуры и пользователя с целью достижения удобства управления компьютером и расши­рения его функциональных возможностей. Операционная система выполняет следующие функции: диагностики компьютера, управления в водом/выводом, работы с файлами, организации диалога с пользователем, защиты и т. д.

Известны командная неграфическая система (DOS - Disk Operating System, Дисковая операционная система) и графическая операционная система Win­dows. DOS - неграфическая операционная система, наиболее приближенная к аппаратуре компьютера, основная часть программ которой хранится на дис­ке, и использующая командную строку.

DOS выполняет символьные инструкции, вводимые в командную строку тек­стового экрана для запуска соответствующих программ. Кроме того, для удобства работы были разработаны специальные программы–оболочки (например, Norton Commander), которые позволяют исключить набор соответствующих сложных команд DOS, что облегчает и ускоряет работу пользователя на компьютере.

Windows - графическая операционная система, ориентированная на широ­кий круг пользователей и позволяющая значительно упростить их общение с компьютерами путем применения графических знаков (элементов изображе­ния) и стандартного (единообразного) подхода для работы с приложениями. Windows требует использования 4-8 и более Мбайт оперативной памяти. 4-10 и более Мбайт дисковой памяти. OS/2 - многозадачная операционная система 32-разрядных процессоров, поддерживаемая IBM.

Unix - многопользовательская, многозадачная, переносимая на большинство компьютеров операционная система с графической версией.

Буферы плат расширения области оперативной памяти, предназначенные для хранения данных, передаваемых от одного устройства компьютера другому.

Буферы используются для согласования скорости передачи информации между устройствами с разным быстродействием. Например, сетевые платы имеют буферы объемом от 8 Кбайт до 64 Кбайт, размещенные в адресном про­странстве оперативной памяти (процессора).

Контроллеры жестких дисков, некоторые видеоадаптеры и отдельные скане­ры содержат микросхемы постоянной памяти, которые хранят программы для управления вводом/выводом информации. Участок адресов памяти (диапазон от 640 Кбайт до 1024 Кбайт) в основном зарезервирован за памятью, размещен­ной в адаптерах и контроллерах периферийных устройств.

Расширенная память используется операционными системами Windows, OS/2, Unix.

Таким образом, можно отметить, что процессор на разных уровнях связан с несколькими типами памяти различного назначения (рис. 1.4).

Каждая память имеет свое функциональное назначение, принцип построе­ния и технические характеристики. Наибольшим быстродействием обладает кэш-память, непосредственно связанная с процессором и берущая на себя ос­новную нагрузку по обслуживанию оперативной памяти. Память жестких дис­ков на сегодняшний момент времени имеет наибольшую емкость (больше, чем у оперативной памяти), но характеризуется меньшим быстродействием по сравнению с оперативной памятью. К постоянной памяти предъявляются вы­сокие требования по чтению информации с малым временем доступа.

В связи с необходимостью обрабатывать большие массивы информации трехмерных графических изображений в реальном времени видеопамять имеет относительно большую емкость и два канала доступа к ней. Первый канал необ­ходим для подключения процессора, а второй - видеоадаптера или графическо­го процессора.

Сменная память компакт-дисков приобретает все большее значение, особен­но с появлением многослойных DVD и развитием лазерной технологии.

Дата добавления: 2017-01-14